Genom att skina vitt ljus på en glasskiva med miljontals små titandioxidpelare, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras medarbetare har med häpnadsväckande trohet återgett de lysande nyanserna och subtila nyanserna av "Girl With a Pearl Earring, " Den holländska konstnären Johannes Vermeers mästerverk. Tillvägagångssättet har potentiella tillämpningar för att förbättra optisk kommunikation och göra valuta svårare att förfalska.

Till exempel, genom att lägga till eller släppa en viss färg, eller våglängd, av ljus som färdas i en optisk fiber, forskare kan kontrollera mängden information som bärs av fibern. Genom att ändra intensiteten, forskare kan bibehålla ljussignalens ljusstyrka när den färdas långa sträckor i fibern. Tillvägagångssättet kan också användas för att "måla" papperspengar med små men intrikata färgdetaljer som en förfalskare skulle ha stora svårigheter att förfalska.

Andra forskare har tidigare använt små pelare, eller nanopelare, av varierande storlekar för att fånga och avge specifika färger när de belyses med vitt ljus. Nanopelarnas bredd, som är cirka 600 nanometer höga, eller mindre än en hundradels diameter av ett människohår, bestämmer den specifika färgen på ljus som en pelare fångar och avger. För ett krävande test av en sådan teknik, forskare undersökte hur väl nanopelarna återgav färgerna på en välbekant målning, som Vermeer.

Även om flera team av forskare framgångsrikt hade arrangerat miljontals nanopelare vars storlekar var skräddarsydda för att överföra rött, grönt eller blått ljus för att skapa en specifik palett av utdatafärger, forskarna hade inget sätt att kontrollera intensiteten av dessa färger. Intensiteten, eller ljusstyrka, färger bestämmer en bilds ljus och skugga – dess chiaroscuro – och förbättrar förmågan att förmedla intryck av perspektiv och djup, ett kännetecken för Vermeers verk.

Nu, genom att tillverka nanopelare som inte bara fångar och avger specifika ljusfärger utan också ändrar dess polarisering i varierande grad, NIST-forskarna och deras medarbetare från Nanjings universitet i Kina har för första gången visat ett sätt att kontrollera både färg och intensitet. Forskarna, som inkluderar Amit Agrawal och Wenqi Zhu från NIST och University of Maryland i College Park, och Henri Lezec från NIST, beskriva sina resultat i numret av tidskriften den 20 september Optica , lagt ut på nätet idag.

I deras nya arbete, NIST-teamet tillverkade på en glasskiva nanopelare av titandioxid som hade ett elliptiskt tvärsnitt snarare än ett cirkulärt. Cirkulära föremål har en enda enhetlig diameter, men elliptiska föremål har en lång axel och en kort axel.

Forskarna designade nanopelarna så att deras långa axel på olika platser var mer inriktad eller mindre i linje med polariseringen av det inkommande vita ljuset. (Polariserat ljus är ljus vars elektriska fält vibrerar i en viss riktning när det färdas genom rymden.) Om nanopelarens långa axel var exakt i linje med polarisationsriktningen för det inkommande ljuset, polariseringen av det transmitterade ljuset var opåverkad. Men om den långa axeln roterades med någon vinkel - till exempel 20 grader - i förhållande till polarisationsriktningen för det inkommande ljuset, nanopelaren roterade polarisationen av det infallande ljuset med två gånger den vinkeln - i det här fallet, 40 grader.

På varje plats på rutschkanan, orienteringen av en nanopelare roterade polariseringen av det röda, grönt eller blått ljus det överförde med en viss mängd.

Av sig själv, rotationen som ges av varje nanopelare skulle inte på något sätt förändra intensiteten hos det transmitterade ljuset. Men tillsammans med ett speciellt polariserande filter placerat på baksidan av glasskivan, laget nådde det målet.

Filtret var orienterat så att det förhindrade ljus som hade behållit sin ursprungliga polarisation från att passera igenom. (Solglasögon fungerar på ungefär samma sätt:linserna fungerar som vertikalt polariserade filter, minskar intensiteten av horisontellt polariserat bländning.) Det skulle vara fallet för alla ställen på glasskivan där en nanopelare hade lämnat oförändrad polarisering av det infallande ljuset. En sådan region skulle projicera som en mörk fläck på en avlägsen skärm.

På platser där en nanopelare hade roterat polarisationen av det infallande vita ljuset, filtret tillät en viss mängd av det röda, grönt eller blått ljus att passera. Mängden berodde på rotationsvinkeln; ju större vinkel, desto större intensitet är det transmitterade ljuset. På det här sättet, laget, för första gången, kontrollerade både färg och ljusstyrka.

När NIST-forskarna hade visat den grundläggande designen, de skapade en digital kopia av en miniatyrversion av Vermeer-målningen, ca 1 millimeter lång. De använde sedan den digitala informationen för att vägleda tillverkningen av en matris med miljontals nanopelare. Forskarna representerade färgen och intensiteten för varje bildelement, eller pixel, av Vermeer av en grupp på fem nanopelare - en röd, två gröna och två blå – orienterade i specifika vinklar mot det inkommande ljuset. Undersöker den millimeterstora bilden som teamet hade skapat genom att skina vitt ljus genom nanopelarna, forskarna fann att de återgav "Girl With the Pearl Earring" med extrem tydlighet, även fånga strukturen av oljefärg på duk.

"Kvaliteten på reproduktionen, fångar de subtila färggraderingarna och skuggdetaljerna, är helt enkelt anmärkningsvärt, " sa NIST-forskaren och studiemedförfattaren Agrawal. "Detta arbete överbryggar ganska elegant konst och nanoteknik."

För att konstruera nanopelarna, Agrawal och hans kollegor deponerade först ett lager av en ultratunn polymer på glas, bara några hundra nanometer tjock. Att använda en elektronstråle som en miniatyrborr, de grävde sedan ut en rad miljontals små hål med olika dimensioner och orienteringar i polymeren.

Sedan, använder en teknik som kallas atomlagerdeposition, de återfyllde dessa hål med titandioxid. Till sist, teamet etsade bort all polymer som omgav hålen, lämnar efter sig miljontals små pelare av titandioxid. Dimensionen och orienteringen av varje representerad nanopelare, respektive, nyansen och ljusstyrkan för den slutliga millimeterbilden.

Nanopelartekniken kan enkelt anpassas för att överföra specifika ljusfärger, med speciell intensitet, att kommunicera information genom en optisk fiber, eller för att sätta en miniatyr på ett värdefullt föremål, flerfärgat identifieringsmärke som skulle vara svårt att replikera.

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.