(Phys.org) —I den 4 ^th århundrade, romarna byggde en speciell glaskopp, kallad Lycurgus-bägaren, som ändrar färger beroende på vilket håll ljuset lyser genom den. Glaset är gjort av finmalet silver och gulddamm som ger en dikroisk, eller färgbyte, effekt. Även om tillverkarna av Lycurgus-koppen sannolikt inte kände till mekanismen som var ansvarig för det färgskiftande glaset, idag känner forskare igen mekanismen som ytplasmonresonans, och det är ett fenomen som fortsätter att hålla stort vetenskapligt intresse.

I en ny studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , Yunuen Montelongo, et al., vid University of Cambridge i Storbritannien, har använt ytplasmonresonans som ett nytt sätt att konstruera hologram. Liknar Lycurgus-koppen, de nya hologrammen kan ändra färg på grund av ljusspridning av silvernanopartiklar av specifika storlekar och former. På grund av deras förmåga att samtidigt skapa två färger och lagra stora mängder information, de nya hologrammen kan ha applikationer i 3D-skärmar och informationslagringsenheter, bland andra.

"Detta experiment är inspirerat av de mycket unika optiska egenskaperna som Lycurgus-koppen visar, " berättade Montelongo Phys.org . "Denna exceptionella pjäs ändrar färg beroende på ljuskällans position. Om den är upplyst från ena sidan ser den grön ut, men om den lyser från den andra blir den röd. I motsats till andra dikroiska effekter som produceras av vissa kristaller, såsom dyrbara opaler, de färgglada effekterna av Lycurgus-koppen är lite beroende av betraktarens position. Faktiskt, den dikroism som finns i Lycurgus-koppen har ett annat ursprung än kristaller och hittills har denna "plasmoniska effekt" inte observerats i naturligt förekommande material."

Även om det finns flera olika sätt att konstruera hologram, nästan alla traditionella hologram är enfärgade, och de flerfärgshologram som existerar möter begränsningar. Till exempel, Det finns ingen metodik som kan producera flerfärgade hologram från en yta.

Här, forskarna visade att det är möjligt att konstruera flerfärgade hologram från ett enda plan. De nya hologrammen består av exakt konstruerade silvernanopartiklar mönstrade över ett substrat.

En viktig skillnad i de nya hologrammen är den mindre storleken på diffraktionsfransarna, som styr ljusvåglängdsinterferensen. I traditionella hologram, dessa fransar är större än halva ljusets våglängd. I kontrast, fransarna här ersätts med nanopartiklar som är mindre än halva ljusets våglängd. Forskarna visade att diffraktionen med smalare band, som skapar färgglada effekter, produceras genom plasmonisk förstärkt optisk spridning av nanostrukturerna.

Subvåglängdsavståndet erbjuder vissa fördelar. Till exempel, två olika typer av plasmoniska nanopartiklar kan multiplexeras, eller kombinerade men inte kopplade, vid subvåglängdsavstånd. Genom att använda nanopartiklar av silver med olika former och storlekar, forskarna kunde kontrollera färgerna.

Förutom att tillhandahålla flera färger, multiplexering av två nanopartiklar har fördelen att gränserna för bandbreddsinformation ökar. Forskarna visade att varje nanopartikel bär på oberoende information, såsom polarisation och våglängd, som kan styras samtidigt. Med dubbelt så många nanopartiklar, den totala mängden lagrad binär information kan överskrida de traditionella diffraktionsgränserna.

"Det har visat sig att nanopartiklar med resonansegenskaper kan kopplas bort över subvåglängdsavstånd så att deras elektromagnetiska fält har minimal interaktion, "Sade Montelongo. "Den presenterade enheten visar att dessa nanopartiklar kan lagra och överföra oberoende information bortom diffraktionsgränserna, vilket står i motsats till icke-resonanta strukturer. På grund av detta fenomens natur, det har varit möjligt att visa, för första gången, ett hologram som projicerar färgbilder i 180 grader. Denna projektion är så bred att det inte ens går att visa den på ett plan, och en diffusiv sfär bör användas."

Dessa egenskaper gör det nya hologrammet mycket attraktivt för framtida applikationer.

"Förutom den uppenbara tillämpningen för att ersätta de typiska 'regnbågshologrammen' för kreditkort och andra säkerhetsartiklar, detta fenomen kan användas för bildprojektion på sfärer, vilket hittills inte har uppnåtts med konventionell optik, " sa medförfattaren Calum Williams vid University of Cambridge. "Dessutom, detta koncept kan användas som grund för att producera dynamiska tredimensionella färgskärmar. Inom området informatik, dessa holografiska konfigurationer skulle kunna lagra information i subvåglängdsområden. Detta innebär att optiska datalagringsenheter som CD-skivor, DVD-skivor eller Blu-ray kan potentiellt utöka sina lagringsgränser."

Forskarna planerar att ytterligare undersöka dessa applikationer och andra i framtiden.

"Framtida forskning är fokuserad på studiet av mekanismer för att justera den plasmoniska effekten för displayapplikationer, "Sade Montelongo. "Huvudmålet är integrationen av nya moduleringsscheman för att producera ultratunna skärmar och dynamiska hologram."

© 2014 Phys.org