Stel je een miniatuurapparaat voor dat elke kamer in je huis doordrenkt met een andere tint van de regenboog - paars voor de woonkamer, misschien, blauw voor de slaapkamer, groen voor de keuken. Een team onder leiding van wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft, Voor de eerste keer, ontwikkelde apparaten op nanoschaal die invallend wit licht verdelen in zijn samenstellende kleuren op basis van de richting van de verlichting, of stuurt deze kleuren naar een vooraf bepaalde set uitvoerhoeken.

Van ver gezien, het apparaat, aangeduid als een directioneel kleurenfilter, lijkt op een diffractierooster, een plat metalen oppervlak met parallelle groeven of spleten die licht in verschillende kleuren splitsen. Echter, in tegenstelling tot een rooster, de groeven op nanometerschaal die in de ondoorzichtige metaalfilm zijn geëtst, zijn niet periodiek - niet op gelijke afstanden. Ze zijn ofwel een reeks gegroefde lijnen of concentrische cirkels die variëren in afstand, veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. Door deze eigenschappen wordt het filter kleiner en kan het veel meer functies vervullen dan een rooster.

Bijvoorbeeld, het apparaat is niet-uniform, of aperiodiek, raster kan worden aangepast om een ​​bepaalde golflengte van licht naar elke gewenste locatie te sturen. Het filter heeft verschillende veelbelovende toepassingen, inclusief het genereren van dicht bij elkaar geplaatste rode, groene en blauwe kleurenpixels voor displays, zonne-energie oogsten, het detecteren van de richting van binnenkomend licht en het meten van de dikte van ultradunne coatings die bovenop het filter zijn geplaatst.

Naast het selectief filteren van binnenkomend wit licht op basis van de locatie van de bron, het filter kan ook op een tweede manier werken. Door het kleurenspectrum te meten dat door een filter gaat dat speciaal is ontworpen om specifieke golflengten van licht onder bepaalde hoeken af ​​te buigen, onderzoekers kunnen de locatie bepalen van een onbekende lichtbron die op het apparaat valt. Dit kan van cruciaal belang zijn om te bepalen of die bron, bijvoorbeeld, is een laser gericht op een vliegtuig.

"Onze directionele filter, met zijn a-periodieke architectuur, kan op vele manieren functioneren die in principe niet haalbaar zijn met een apparaat zoals een rooster, die een periodieke structuur heeft, " zei NIST-natuurkundige Amit Agrawal. "Met dit speciaal ontworpen apparaat, we zijn in staat om meerdere golflengten van licht tegelijkertijd te manipuleren."

Matthew Davis en Wenqi Zhu van NIST en de Universiteit van Maryland, samen met Agrawal en NIST-natuurkundige Henri Lezec, beschreven hun werk in de laatste editie van Natuurcommunicatie . Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met Syracuse University en Nanjing University in China.

De werking van het directionele kleurenfilter is afhankelijk van de interactie tussen de binnenkomende lichtdeeltjes - fotonen - en de zee van elektronen die langs het oppervlak van een metaal drijft. Fotonen die op het metalen oppervlak inslaan, creëren rimpelingen in deze elektronenzee, het genereren van een speciaal type lichtgolf - plasmonen - die een veel kleinere golflengte heeft dan de oorspronkelijke lichtbron.

Het ontwerp en de bediening van aperiodieke apparaten zijn niet zo intuïtief en eenvoudig als hun periodieke tegenhangers. Echter, Agrawal en zijn collega's hebben een eenvoudig model ontwikkeld om deze apparaten te ontwerpen. Hoofdauteur Matthew Davis legde uit, "Dit model stelt ons in staat om snel de optische respons van deze aperiodieke ontwerpen te voorspellen zonder te vertrouwen op tijdrovende numerieke benadering, waardoor de ontwerptijd aanzienlijk wordt verkort, zodat we ons kunnen concentreren op de fabricage en het testen van apparaten."