För det mesta, ett material färg härrör från dess kemiska egenskaper. Olika atomer och molekyler absorberar olika våglängder av ljus; de återstående våglängderna är de "inneboende färgerna" som vi uppfattar när de reflekteras tillbaka till våra ögon.

Så kallad "strukturfärg" fungerar annorlunda; det är en egenskap hos fysiken, inte kemi. Mikroskopiska mönster på vissa ytor reflekterar ljus på ett sådant sätt att olika våglängder kolliderar och interfererar med varandra. Till exempel, en påfågels fjädrar är gjorda av genomskinliga proteinfibrer som själva inte har någon egenfärg, ändå ser vi förändringar, skimrande blå, gröna och lila nyanser på grund av strukturerna i nanoskala på deras ytor.

När vi blir mer skickliga på att manipulera struktur i minsta skala, dock, dessa två typer av färger kan kombineras på ännu mer överraskande sätt. Penn Engineers har nu utvecklat ett system av halvledarremsor i nanoskala som använder strukturella färginteraktioner för att helt eliminera remsornas inneboende färg.

Även om remsorna ska absorbera orange ljus och därmed se en nyans av blått, de verkar inte ha någon färg alls.

Att finjustera ett sådant system har konsekvenser för holografiska skärmar och optiska sensorer. Det kan också bana väg för nya typer av mikrolasrar och detektorer, grundläggande delar av länge eftertraktade fotoniska datorer.

Studien leddes av Deep Jariwala, biträdande professor vid institutionen för el- och systemteknik, tillsammans med labbmedlemmarna Huiqin Zhang, en doktorand, och Bhaskar Abhiraman, en grundutbildning.

Den publicerades i Naturkommunikation .

Forskarens experimentella system består av nanoskala remsor av en tvådimensionell halvledare, volframdisulfid, arrangerad på guldbaksida. Dessa remsor, bara några dussin atomer tjocka, är fördelade på suboptiska våglängdsstorlekar, låter dem avge den typ av strukturell färg som ses i fjärilsvingar och påfågelfjädrar.

"Vi lekte med dimensionerna av det här systemet, tog många experimentella mätningar, och körde många simuleringar. Sedan märkte vi något konstigt, " säger Abhiraman. "Om måtten på dessa remsor var precis rätt, absorptionen av orange ljus, som borde vara inneboende i materialet, försvann! Med andra ord, beläggningen som består av dessa ränder är okänslig för inkommande ljus och visar bara egenskaperna hos det underliggande substratet."

"Andra nanofotonikforskare har tidigare visat att strukturell färg och dessa inneboende absorptioner kan interagera; detta kallas "stark koppling." Dock, ingen har sett den här typen av försvinnande tidigare, speciellt i ett material som annars är tänkt att absorbera nästan 100 procent av ljuset, " säger Jariwala. "I exemplet med fågelfjädrar eller fjärilsvingar, det är det biologiska materialets strukturer i nanoskala som ger dem iriserande färger, eftersom dessa material inte har mycket egen färg på egen hand. Men om ett material har en stark inneboende färg, vi visar att man kan göra tvärtom och få det att försvinna med lämplig nanostrukturering. På vissa sätt, det döljer materialets inneboende färg från dess reaktion på ljus."

Att undersöka detta fenomen innebär att förstå hur inneboende färg fungerar på en subatomär nivå. En atoms elektroner är ordnade i olika koncentriska nivåer, beroende på hur många elektroner det elementet har. Beroende på tillgängliga utrymmen i dessa arrangemang, en elektron kan hoppa till en högre nivå när den absorberar energin från en viss våglängd av ljus. Våglängderna som kan excitera elektroner på detta sätt bestämmer vilka som absorberas och vilka som reflekteras, och därmed ett materials inneboende färg.

Nanofotonikforskare som Jariwala, Zhang och Abhiraman studerar ännu mer komplicerade interaktioner mellan elektroner och deras grannar. När atomer är ordnade i upprepade kristallina mönster, som de som finns i de tvådimensionella remsorna av volframdisulfid, deras elektronskikt överlappar varandra till sammanhängande band. Dessa band är det som gör att ledande material kan överföra laddningar från elektron till elektron. Halvledare, som volframdisulfid, är allestädes närvarande inom elektronik eftersom samspelet mellan deras elektronband ger upphov till användbara fenomen som kan manipuleras med yttre krafter.

I detta fall, interaktionen av ljus och elektrisk laddning inom halvledarremsorna producerade den oöverträffade "cloaking"-effekten.

"När elektronen exciteras av orange våglängder, det skapar en ledig plats som kallas ett hål, lämnar kristallen med ett hårt bundet par av motsatta laddningar som kallas en exciton, " säger Jariwala. "Eftersom ljus är en form av elektromagnetisk strålning, dess elektromagnetiska fält kan interagera med denna laddningsexcitation och under speciella omständigheter eliminera den, så att en observatör skulle se orangen på guldsubstratet istället för det blå på remsorna ovanpå det."

I deras tidning, Jariwala och hans kollegor visade att de strukturella färgeffekterna och den inneboende excitonabsorptionsinteraktionen kan modelleras med exakt samma matematik som kopplade oscillatorer:massor som studsar på fjädrar.

"Vi tillämpade den här modellen och upptäckte att under vissa förhållanden, denna försvinnande effekt kan reproduceras, " säger Zhang. "Det är vackert att ett trick från klassisk mekanik kan förklara hur vår struktur interagerar med ljus."

Denna typ av strukturfärg, eller bristen på det, kan användas för att göra beläggningar med nanometertjocklek som är konstruerade för att vara okänsliga för inkommande ljus, vilket innebär att beläggningen ser ut att ha samma färg som materialet under den. Olika rumsliga arrangemang av dessa nanoskala funktioner kan ge motsatt effekt, möjliggör briljanta hologram och displayer. Traditionellt, att manipulera sådana funktioner har varit svårt, eftersom de erforderliga materialen var mycket tjockare och svårare att tillverka.

"Eftersom denna strukturella färg som vi observerar också är mycket känslig för sin omgivande miljö, " Abhiraman säger, "man kan tänka sig att göra billiga och känsliga kolorimetriska sensorer för kemikalier eller biologiska molekyler om de paras ihop med rätt kemiskt bete."

"Ett annat område av potentiell användning är integrerade spektrometrar och fotodetektorer på ett chip, " säger han. "Även här, traditionella halvledarmaterial som kisel har varit svåra att använda eftersom deras optiska egenskaper inte bidrar till stark absorption. På grund av 2-D-materialens kvantbegränsade natur, de absorberar eller interagerar med ljus mycket starkt, och deras arkliknande struktur gör det lätt att placera eller deponera eller belägga dem på godtyckliga ytor."

Forskarna tror att den mest kraftfulla tillämpningen av deras system kan vara i fotoniska datorer, där fotoner ersätter elektroner som medium för digital information, kraftigt förbättra sin hastighet.

"Hybridisering av ljus och materia har länge använts i optiska kommunikationsväxlar och har föreställts som funktionsprincipen för lasrar med ultralågt tröskelvärde som är nödvändiga för fotonisk beräkning, " säger Jariwala. "Men, det har varit svårt att få sådana anordningar att fungera vid rumstemperatur på ett tillförlitligt och önskat sätt. Vårt arbete visar en ny väg mot att tillverka och integrera sådana lasrar på godtyckliga substrat, speciellt om vi kan hitta och ersätta våra nuvarande 2D-halvledare med sådana som gillar att avge mycket ljus."