Meestal, de kleur van een materiaal komt voort uit zijn chemische eigenschappen. Verschillende atomen en moleculen absorberen verschillende golflengten van licht; de resterende golflengten zijn de "intrinsieke kleuren" die we waarnemen wanneer ze worden teruggekaatst naar onze ogen.

Zogenaamde "structurele kleur" werkt anders; het is een eigenschap van de natuurkunde, geen scheikunde. Microscopische patronen op sommige oppervlakken reflecteren het licht zodanig dat verschillende golflengten botsen en met elkaar interfereren. Bijvoorbeeld, een pauwenveren zijn gemaakt van transparante eiwitvezels die zelf geen intrinsieke kleur hebben, toch zien we verschuiven, iriserend blauw, groene en paarse tinten vanwege de structuren op nanoschaal op hun oppervlak.

Naarmate we bedrevener worden in het manipuleren van structuur op de kleinste schaal, echter, deze twee soorten kleuren kunnen op nog verrassendere manieren worden gecombineerd. Penn Engineers hebben nu een systeem van halfgeleiderstrips op nanoschaal ontwikkeld dat structurele kleurinteracties gebruikt om de intrinsieke kleur van de strips volledig te elimineren.

Hoewel de stroken oranje licht moeten absorberen en dus een blauwe tint moeten krijgen, ze lijken helemaal geen kleur te hebben.

Het finetunen van een dergelijk systeem heeft gevolgen voor holografische displays en optische sensoren. Het zou ook de weg kunnen banen voor nieuwe soorten microlasers en detectoren, fundamentele elementen van de lang gezochte fotonische computers.

De studie werd geleid door Deep Jariwala, universitair docent bij de afdeling Electrical and Systems Engineering, samen met laboratoriumleden Huiqin Zhang, een afgestudeerde student, en Bhaskar Abhiraman, Een undergraduate.

Het is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het experimentele systeem van de onderzoeker bestaat uit stroken op nanoschaal van een tweedimensionale halfgeleider, wolfraamdisulfide, gerangschikt op een gouden backing. Deze stroken, slechts enkele tientallen atomen dik, zijn uit elkaar geplaatst op sub-optische golflengten, waardoor ze het type structurele kleur kunnen afgeven dat te zien is in vlindervleugels en pauwenveren.

"We speelden met de afmetingen van dit systeem, veel experimentele metingen gedaan, en heb veel simulaties uitgevoerd. Toen merkten we iets raars, "zegt Abhiraman. "Als de afmetingen van deze strips precies goed waren, de absorptie van oranje licht, die inherent moeten zijn aan het materiaal, verdwenen! Met andere woorden, de coating die uit deze strepen bestaat, is ongevoelig voor invallend licht en toont alleen de eigenschappen van het onderliggende substraat."

"Andere nanofotonica-onderzoekers hebben eerder aangetoond dat structurele kleur en deze intrinsieke absorpties kunnen interageren; dit wordt 'sterke koppeling' genoemd. Echter, niemand heeft dit soort verdwijning eerder gezien, vooral in een materiaal dat anders bijna 100 procent van het licht zou absorberen, " zegt Jariwala. "In het voorbeeld van vogelveren of vlindervleugels, het zijn de structuren op nanoschaal van het biologische materiaal die ze iriserende kleuren geven, omdat die materialen op zichzelf niet veel intrinsieke kleur hebben. Maar als een materiaal wel een sterke intrinsieke kleur heeft, we laten zien dat je het tegenovergestelde kunt doen en het kunt laten verdwijnen met de juiste nanostructurering. In sommige opzichten, het verhult de intrinsieke kleur van het materiaal door zijn reactie op licht."

Om dit fenomeen te onderzoeken moet men begrijpen hoe intrinsieke kleur op subatomair niveau werkt. De elektronen van een atoom zijn gerangschikt in verschillende concentrische niveaus, afhankelijk van hoeveel elektronen dat element heeft. Afhankelijk van de beschikbare plaatsen in die arrangementen, een elektron kan naar een hoger niveau springen wanneer het de energie van een bepaalde golflengte van licht absorbeert. De golflengten die op deze manier elektronen kunnen exciteren, bepalen welke worden geabsorbeerd en welke worden gereflecteerd, en dus de intrinsieke kleur van een materiaal.

Nanofotonica-onderzoekers zoals Jariwala, Zhang en Abhiraman bestuderen nog ingewikkelder interacties tussen elektronen en hun buren. Wanneer atomen gerangschikt zijn in zich herhalende kristallijne patronen, zoals die gevonden in de tweedimensionale stroken wolfraamdisulfide, hun elektronenlagen overlappen in aangrenzende banden. Deze banden zorgen ervoor dat geleidende materialen ladingen van elektron naar elektron kunnen doorgeven. Halfgeleiders, zoals wolfraamdisulfide, zijn alomtegenwoordig in elektronica omdat het samenspel tussen hun elektronenbanden aanleiding geeft tot nuttige verschijnselen die kunnen worden gemanipuleerd met externe krachten.

In dit geval, de interactie van licht en elektrische lading binnen de halfgeleiderstrips produceerde het ongekende "cloaking" -effect.

"Als het elektron wordt geëxciteerd door oranje golflengten, het creëert een leegte die bekend staat als een gat, het kristal verlaten met een stevig gebonden paar tegengestelde ladingen, een exciton genoemd, Jariwala zegt. Omdat licht een vorm van elektromagnetische straling is, zijn elektromagnetische veld kan interageren met deze ladingsexcitatie en in speciale omstandigheden opheffen, zodat een waarnemer het oranje van het gouden substraat zou zien in plaats van het blauw van de stroken erop."

In hun krant Jariwala en zijn collega's toonden aan dat de structurele kleureffecten en de intrinsieke excitonabsorptie-interactie kunnen worden gemodelleerd met exact dezelfde wiskunde als gekoppelde oscillatoren:massa's die op veren stuiteren.

"We hebben dit model toegepast en ontdekten dat onder bepaalde omstandigheden, dit verdwijningseffect kan worden gereproduceerd, " zegt Zhang. "Het is prachtig dat een truc uit de klassieke mechanica kan verklaren hoe onze structuur met licht omgaat."

Dit type structurele kleur, of het gebrek daaraan, kan worden gebruikt om coatings met een dikte van nanometer te maken die zijn ontworpen om ongevoelig te zijn voor invallend licht, wat betekent dat de coating dezelfde kleur lijkt te hebben als het materiaal eronder. Verschillende ruimtelijke rangschikkingen van die nanoschaalkenmerken zouden het tegenovergestelde effect kunnen hebben, waardoor schitterende hologrammen en displays mogelijk zijn. traditioneel, het manipuleren van dergelijke functies was moeilijk, omdat de benodigde materialen veel dikker en moeilijker te fabriceren waren.

"Omdat deze structurele kleur die we waarnemen ook erg gevoelig is voor de omgeving, "Abhiraman zegt, "Je kunt je voorstellen dat je goedkope en gevoelige colorimetrische sensoren voor chemicaliën of biologische moleculen kunt maken als ze worden gecombineerd met het juiste chemische aas."

"Een ander toepassingsgebied zijn geïntegreerde spectrometers en fotodetectoren op een chip, "zegt hij. "Zelfs hier, traditionele halfgeleidermaterialen zoals silicium zijn moeilijk te gebruiken omdat hun optische eigenschappen niet bevorderlijk zijn voor sterke absorptie. Vanwege de kwantumbegrensde aard van de 2D-materialen, ze absorberen of reageren zeer sterk op licht, en hun plaatachtige structuur maakt het gemakkelijk om ze op willekeurige oppervlakken te plaatsen, te deponeren of te coaten."

De onderzoekers denken dat de krachtigste toepassing van hun systeem in fotonische computers zou kunnen zijn, waar fotonen elektronen vervangen als medium voor digitale informatie, hun snelheid enorm verbeteren.

"Hybridisatie van licht en materie wordt al lang gebruikt in optische communicatieschakelaars en wordt beschouwd als het werkingsprincipe voor de ultra-lage drempelvermogenslasers die nodig zijn voor fotonisch computergebruik, " zegt Jariwala. "Echter, het was moeilijk om dergelijke apparaten op een betrouwbare en gewenste manier bij kamertemperatuur te laten werken. Ons werk toont een nieuwe weg naar het maken en integreren van dergelijke lasers op willekeurige substraten, zeker als we onze huidige 2D-halfgeleiders kunnen vinden en vervangen door exemplaren die graag veel licht uitstralen."