Schematiskt visar två olika sätt som vitt ljus interagerar med en nyutvecklad enhet, ett riktat färgfilter styrt med spår som inte är jämnt fördelade. När vitt ljus lyser upp den mönstrade sidan av den kompakta metallanordningen i tre olika vinklar - i det här fallet, 0° grader, 10° och 20° -- enheten sänder ljus i rött, gröna och blå våglängder, respektive. När vitt ljus infaller i vilken vinkel som helst upplyser enheten från den icke-mönstrade sidan, det separerar ljuset i samma tre färger, och skickar ut varje färg i olika riktningar som motsvarar samma respektive vinklar. Kredit:NIST
Föreställ dig en miniatyrenhet som fyller varje rum i ditt hus med en annan nyans av regnbågen - lila för vardagsrummet, kanske, blått för sovrummet, grönt till köket. Ett team ledd av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har, för första gången, utvecklat enheter i nanoskala som delar in infallande vitt ljus i dess komponentfärger baserat på belysningens riktning, eller riktar dessa färger till en förutbestämd uppsättning utgångsvinklar.
Sett på långt håll, enheten, kallas ett riktat färgfilter, liknar ett diffraktionsgitter, en platt metallyta som innehåller parallella spår eller slitsar som delar ljus i olika färger. Dock, till skillnad från ett galler, spåren i nanometerskala etsade in i den ogenomskinliga metallfilmen är inte periodiska – inte lika fördelade. De är antingen en uppsättning rillade linjer eller koncentriska cirklar som varierar i avstånd, mycket mindre än det synliga ljusets våglängd. Dessa egenskaper krymper filtret och gör det möjligt att utföra många fler funktioner än en gallerkanna.
Till exempel, enheten är ojämn, eller aperiodisk, rutnät kan skräddarsys för att skicka en viss våglängd av ljus till vilken plats som helst. Filtret har flera lovande applikationer, inklusive generering av tätt placerat rött, gröna och blå färgpixlar för skärmar, skördar solenergi, känna av riktningen för inkommande ljus och mäta tjockleken på ultratunna beläggningar placerade ovanpå filtret.
Förutom att selektivt filtrera inkommande vitt ljus baserat på källans placering, filtret kan också fungera på ett andra sätt. Genom att mäta spektrumet av färger som passerar genom ett filter som är specialdesignat för att avleda specifika våglängder av ljus i specifika vinklar, forskare kan lokalisera platsen för en okänd ljuskälla som träffar enheten. Detta kan vara avgörande för att avgöra om den källan, till exempel, är en laser riktad mot ett flygplan.
"Vårt riktningsfilter, med sin periodiska arkitektur, kan fungera på många sätt som i grunden inte är möjliga med en anordning som ett galler, som har en periodisk struktur, " sa NIST-fysikern Amit Agrawal. "Med denna specialdesignade enhet, vi kan manipulera flera våglängder av ljus samtidigt."
Matthew Davis och Wenqi Zhu från NIST och University of Maryland, tillsammans med Agrawal och NIST-fysikern Henri Lezec, beskrev deras arbete i den senaste upplagan av Naturkommunikation . Arbetet utfördes i samarbete med Syracuse University och Nanjing University i Kina.
Funktionen av det riktade färgfiltret är beroende av interaktionen mellan de inkommande ljuspartiklarna - fotoner - och havet av elektroner som flyter längs ytan av en metall. Fotoner som träffar metallytan skapar krusningar i detta elektronhav, genererar en speciell typ av ljusvåg – plasmoner – som har en mycket mindre våglängd än den ursprungliga ljuskällan.
Utformningen och driften av aperiodiska enheter är inte lika intuitiv och enkel som deras periodiska motsvarigheter. Dock, Agrawal och hans kollegor har utvecklat en enkel modell för att designa dessa enheter. Huvudförfattaren Matthew Davis förklarade, "den här modellen gör att vi snabbt kan förutsäga det optiska svaret för dessa aperiodiska mönster utan att förlita oss på tidskrävande numerisk approximation, vilket minskar designtiden avsevärt så att vi kan fokusera på tillverkning och testning av enheter."
