En materialbeläggning, vars ljusbrytningsegenskaper exakt kan växlas mellan olika tillstånd, har utvecklats av ett tvärvetenskapligt forskarlag från kemi- och fysikavdelningarna vid universitetet i Jena. Teamet, ledd av Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel och Isabelle Staude, kombinerade polymerer som reagerar på ljus med så kallade metasytor.
Denna innovation har lett till skapandet av nya optiska komponenter som potentiellt skulle kunna användas i signalbehandling. Deras resultat har nu publicerats i tidskriften ACS Nano .
"Både metasytor och ljusomkopplingsbara polymerer har varit kända i princip i årtionden", förklarar Sarah Walden från Institute of Solid State Physics, som nu leder en forskargrupp i Australien. Hon tillägger, "Men vi är först med att kombinera båda i denna form för att utveckla nya komponenter för optiska applikationer."
Metasytor är nanostrukturerade tunna lager vars karakteristiska strukturella storlekar är mindre än ljusets våglängd. Detta gör att ljusets egenskaper och dess utbredning kan påverkas specifikt, vilket möjliggör en mängd olika optiska funktioner som annars skulle utföras av linser, polarisatorer eller gitter. Å andra sidan är omkopplingsbara polymerer plaster vars egenskaper – såsom ljusbrytningsindex – kan ändras mellan olika tillstånd.
"Polymererna vi använde innehåller färgämnesmolekyler", fortsätter Felix Schacher från Institutet för organisk kemi och makromolekylär kemi. "Detta betyder att de absorberar ljus av en viss våglängd och på så sätt ändrar sin struktur - och därmed deras egenskaper, såsom ljusets brytningsindex i detta fall."
För att byta tillbaka färgämnet till sin tidigare struktur med motsvarande egenskap krävs ljus med en annan våglängd. "Det som är speciellt med vårt system", förklarar fysikern Isabelle Staude, "är att förändringarna i brytningsindex påverkar de optiska egenskaperna hos metaytan när den är belagd med en sådan polymer."
De förändringar som uppnåddes var förvånansvärt betydande, även jämfört med tidigare kända liknande system. "Eftersom polymererna uppvisar olika absorption beroende på färgämnet kan olika effekter separeras mycket väl från varandra eller kombineras", sammanfattar fysikern.
Utöver detta lovande resultat gjorde teamet en överraskande upptäckt. "I vårt arbete använde vi två olika färgämnen separat, var och en applicerad på en metayta. Detta bekräftade effekten," utvecklar Schacher. "Men när man blandar båda omkopplingsbara polymererna uppstår ytterligare effekter", rapporterar han. "Vi misstänker att de två olika färgämnesmolekylerna interagerar med varandra, men vi kan inte säga säkert i nuläget." Ytterligare undersökningar behövs för att klargöra detta intressanta beteende.
Även om det primära fokus med dessa omkopplingsbara ytor var att demonstrera grundprincipen, kan forskargruppen föreställa sig flera tillämpningar. "Eftersom dessa ytor kan växla mellan olika egenskapstillstånd med ljus är sensorteknik ett naturligt användningsområde", konstaterar forskarna.
Det är också tänkbart att sådana omkopplingsbara ytor skulle kunna användas för optisk databehandling. "Självklart skulle det glädja vårt team om dessa komponenter kunde användas för till exempel optiska neurala nätverk, som sedan skulle kunna behandla bildinformation på samma sätt som elektronisk artificiell intelligens kan nu", säger Schacher.
"Men eftersom denna typ av databehandling är baserad på ljus snarare än elektronik, är den betydligt mer energieffektiv och snabbare än traditionell datorbaserad AI."
Mer information: Sarah L. Walden et al, Two-Color Spatial Resolved Tuning of Polymer-Coated Metasurfaces, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c11760
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Friedrich Schiller University of Jena
