Инженеры манипулируют цветом на наноуровне заставляя его исчезнуть

В большинстве случаев цвет материала определяется его химическими свойствами. Атомы и молекулы поглощают световые волны разной длины; остальные длины волн - это «внутренние цвета», которые мы воспринимаем, когда они отражаются обратно в наши глаза.

О новом исследовании

Так называемый «структурный цвет» работает иначе; это свойство физики, а не химии. Микроскопические узоры на некоторых поверхностях отражают свет таким образом, что волны разных длин сталкиваются и интерферируют друг с другом. Например, перья павлина состоят из прозрачных белковых волокон, которые сами по себе не имеют собственного цвета, но мы видим смещающиеся переливающиеся синие, зеленые и пурпурные оттенки из-за наноразмерных структур на их поверхности.

Однако по мере того, как мы становимся более искусными в управлении структурой предметов на микроскопическом уровне, эти два типа цвета могут сочетаться еще более удивительным образом. Penn Engineers разработали технологию наноразмерных полупроводниковых полосок, в которой используются структурные взаимодействия цвета для полного устранения собственного цвета полос. Хотя полоски должны поглощать оранжевый свет и, таким образом, иметь оттенок синего, кажется, что они вообще не имеют цвета.

Точная настройка такой системы имеет значение для голографических дисплеев и оптических датчиков. Это также может открыть путь для новых типов микролазеров и детекторов, фундаментальных элементов долгожданных фотонных компьютеров. Исследованием руководили Дип Джаривала, доцент кафедры электротехники и системотехники, а также сотрудники лаборатории - Хуйцинь Чжан, аспирант, и Бхаскар Абхираман, студент.

Как все устроено

Экспериментальная система состоит из наноразмерных полосок двумерного полупроводника, дисульфида вольфрама, расположенных на золотой плате. Эти полоски толщиной всего в несколько десятков атомов разнесены на субоптические длины волн, что позволяет им излучать структурный цвет, типичный для крыльев бабочек и павлиньих перьев.

«Мы поиграли с размерами этой системы, провели множество экспериментальных измерений и симуляций. Потом мы заметили кое-что странное», - говорит Абдирахман. «Если бы размеры этих полос были подходящими, то поглощение оранжевого света, которое должно было быть присуще материалу, исчезло бы! Другими словами, покрытие, состоящее из этих полос, нечувствительно к падающему свету и показывает только свойства лежащей под ним подложки». «Другие исследователи нанофотоники ранее уже показали, что структурный цвет и эти внутренние поглощения могут взаимодействовать; это называется «сильной связью».

Однако никто раньше не видел такого исчезновения, особенно в материале, который должен поглощать почти 100 процентов света», - говорит Джаривала. «В примере с птичьими перьями или крыльями бабочек, это наноразмерные структуры биологического материала, которые придают им радужные цвета, поскольку эти материалы сами по себе не имеют особого внутреннего цвета. Но если материал действительно имеет сильный внутренний цвет, мы показываем, что можно сделать обратное и заставить его исчезнуть с помощью соответствующего наноструктурирования.

В некотором смысле, он скрывает естественный цвет материала от его реакции на свет». Исследование этого явления включает понимание того, как внутренний цвет работает на субатомном уровне. Электроны атома расположены на разных концентрических уровнях, в зависимости от того, сколько электронов имеет этот элемент. В зависимости от доступных пространств в этих устройствах электрон может перейти на более высокий уровень, когда он поглощает энергию от волны света определенной длины.

Длины волн, которые могут возбуждать электроны таким образом, определяют, какие из них поглощаются, а какие отражаются. Исследователи нанофотоники, такие как Джаривала, Чжан и Абхираман, изучают еще более сложные взаимодействия между электронами и их соседями. Когда атомы расположены в повторяющихся кристаллических структурах, например, в двумерных полосах дисульфида вольфрама, их электронные слои перекрываются, образуя непрерывные полосы. Эти полосы позволяют проводящим материалам передавать заряды от электрона к электрону.

Полупроводники, такие как дисульфид вольфрама, повсеместно используются в электронике, потому что взаимодействие между их электронными зонами порождает полезные явления, которыми можно управлять с помощью внешних сил. В этом случае взаимодействие света и электрического заряда внутри полупроводниковых лент произвело беспрецедентный эффект «маскировки».

«Когда электрон возбуждается оранжевыми волнами, он создает явление, известное как дыра, оставляя кристалл с прочно связанной парой противоположных зарядов, называемой экситоном», - говорит Яривала. «Поскольку свет является электромагнитным излучением, его электромагнитное поле может взаимодействовать с этим зарядовым возбуждением и при особых обстоятельствах нейтрализовать его, так что наблюдатель мог бы видеть оранжевый цвет золотой подложки вместо синих полосок на ней».

Как проходил этап тестирования

В своей статье Яривала и его коллеги показали, что структурные цветовые эффекты и собственное взаимодействие экситонного поглощения можно моделировать с помощью того же метода, что и связанные осцилляторы. «Мы применили эту модель и обнаружили, что при определенных условиях этот эффект исчезновения может быть воспроизведен», - говорит Чжан.

«Это прекрасно, что трюк классической механики может объяснить, как наша структура взаимодействует со светом». Этот тип структурного цвета или его отсутствие можно использовать для создания покрытий нанометровой толщины, которые нечувствительны к падающему свету, что означает, что покрытие кажется того же цвета, что и материал под ним.

Различное пространственное расположение этих наноразмерных элементов может производить противоположный эффект, позволяя создавать голограммы и дисплеи. Традиционно манипулировать такими элементами было сложно, так как требуемые материалы были намного толще и их труднее было бы изготовить.

Область применения новой разработки

«Поскольку этот структурный цвет, который мы наблюдаем, также очень чувствителен к окружающей среде, - говорит Абхираман, - можно создать дешевые и чувствительные колориметрические датчики для химических или биологических молекул, если соединить их с подходщим химическим реагентом».

«Еще одна область потенциального применения - интегрированные спектрометры и фотодетекторы на кристалле», - говорит он. «Даже здесь традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний, было трудно использовать, поскольку их оптические свойства не способствуют сильному поглощению. В силу квантово-ограниченной природы 2D-материалов они очень сильно поглощают свет или взаимодействуют с ним, а листовая структура позволяет легко размещать, наносить или покрывать их на произвольные поверхности».

Исследователи считают, что наиболее мощным применением их системы могут быть фотонные компьютеры, где фотоны заменяют электроны в качестве среды для цифровой информации, значительно улучшая их скорость. «Гибридизация света и материи уже давно используется в переключателях оптической связи и рассматривается как принцип работы лазеров со сверхнизкой пороговой мощностью, необходимых для фотонных вычислений», - говорит Яривала.

«Однако было трудно заставить такие устройства работать при комнатной температуре надежным и желаемым образом. Наша работа показывает новый путь к созданию и интеграции таких лазеров на произвольные подложки, особенно если мы сможем найти и заменить наши нынешние двумерные полупроводники на те, которые излучают много света».