De vleugels van een vlinder en de veren van een pauwenveer gebruiken architectuur op nanoschaal om licht te buigen en schitterende kleuren te produceren zonder pigmenten of kleurstoffen. en wetenschappers hebben geprobeerd het ontwerp van de natuur na te bootsen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het mixed reality-technologiebedrijf Magic Leap Inc., werken met onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), nieuwe ontwikkeld, veelzijdige manieren om de lichtbuigende eigenschappen van synthetische optische nanostructuren te beheersen en te verbeteren. De technologie van Magic Leap creëert visualisaties waarmee virtuele beelden naast elkaar kunnen bestaan ​​en in realtime kunnen interageren met de werkelijke omgeving van een kijker.

De prestatie van de onderzoekers, gemeld in Wetenschappelijke rapporten , maakt de manipulatie van licht over grote hoeken mogelijk, en over het zichtbare lichtspectrum, op een zeer efficiënte manier. De kern van hun werk is een methode om twee soorten op silicium gebaseerde, ultradunne optische componenten.

"We zijn nu in staat om siliciumoppervlakken te creëren die licht kunnen opnemen van een groot aantal invoerhoeken en golflengten met minimaal verlies aan diffractie-efficiëntie, " zei Stefano Cabrini, directeur van de Nanofabrication Facility in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, die gespecialiseerd is in tools en technieken voor R&D op nanoschaal.

"De inputflexibiliteit en de mate van controle die deze nanostructuren hebben over de outputbundel is nog nooit eerder gezien, ' zei Cabrini.

Veel bestaande optische apparaten zijn ook ontworpen om licht te controleren en te manipuleren voor detectie, in beeld brengen, en communicatie, bijvoorbeeld, maar hun componenten kunnen omvangrijk en duur zijn, zoals die worden gebruikt in sommige medische beeldvormingsmachines en DSLR-camera's.

Het verkleinen van deze werktuigen tot op nanoschaal zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie betaalbare apparaten met geavanceerde functionaliteit voor telecommunicatie, medicijn, en consumentenproducten. De lijst met mogelijke toepassingen omvat "slimme" oppervlakken die water kunnen afstoten, ultrasnelle gegevensverwerking, hologrammen, en zelfs "onzichtbaarheidsmantels" die objecten kunnen verbergen door licht te manipuleren.

De nieuwe technologie is gebaseerd op "optische meta-oppervlakken, ", dit zijn tweedimensionale structuren die zijn ontworpen om te interageren met lichtgolven op manieren die natuurlijke materialen niet kunnen. De materialen kunnen lagen hebben die enkele miljardsten van een meter (nanometer) dik zijn, en bevatten optische antennes op nanoschaal die de reflectie of transmissie van licht kunnen regelen. Door hun ultradunne karakter zijn ze gemakkelijk te integreren in verschillende systemen.

Antireflecterende coatings, zoals degene die worden gebruikt op brillenglazen om verblinding te verminderen, geven een eenvoudig voorbeeld van optische meta-oppervlakken. Veel van deze lenscoatings zijn gemaakt van ultradunne (gemeten in honderden nanometers) transparante structuren waarvan de rangschikking de reflectie van licht dat de lens binnenkomt, regelt.

Het onderzoeksteam van Magic Leap creëerde de nieuwe meta-oppervlakken door samen te werken met nanofabricage-experts van de Molecular Foundry. Ze sneden een patroon van silicium nanobundels met behulp van een gerichte elektronenstraal en brachten het ontwerp vervolgens over op een ultradunne laag silicium, slechts ongeveer 20 tot 120 nanometer dik. Deze nanobundels waren gerangschikt om de transmissie of reflectie van licht te regelen.

Deze meta-oppervlakken zijn een miniatuurvoorbeeld van diffractieroosters, die gegroefde oppervlakken hebben die licht kunnen splijten en buigen, en functioneren op dezelfde manier als hoe een prisma een lichtstraal in een regenboog splitst. De groeven kunnen worden gerangschikt om het verstrooide licht in een bepaalde volgorde voor een bepaalde golflengte te concentreren, het creëren van specifieke patronen.

Eerdere ontwerpen van meta-oppervlakken die ultracompacte lichtstralen kunnen controleren, waren functioneel, maar beperkt. Deze structuren hebben de neiging om alleen licht naar nauwe hoeken te buigen, omdat het vergroten van de hoek de apparaten inefficiënt maakt.

Oudere ontwerpen werden ook beperkt door zowel de ingangshoek en golflengte van het licht. Invallend licht moest het oppervlak binnenkomen in een hoek van 90 graden om een ​​daling van de efficiëntie te voorkomen en was beperkt tot golflengten in het infraroodspectrum om problemen met lichtabsorptie te voorkomen, beide kunnen apparaten onbetrouwbaar of defect maken.

De nanobundels waaruit elk van de nieuwe ontwerpen bestaat, zijn zorgvuldig ontworpen om het licht te sturen wanneer het door het oppervlak gaat of het weerkaatst. De grootte van de nanobundels en de onderlinge afstand bepaalt de eigenschappen van het uittredende licht.

Door de meta-oppervlakken van silicium te maken, de onderzoekers konden profiteren van fabricagetechnologie die algemeen beschikbaar is voor dit materiaal, waardoor hun werk gemakkelijker kan worden opgeschaald naar massaproductie.