La maggior parte delle volte, il colore di un materiale deriva dalle sue proprietà chimiche. Diversi atomi e molecole assorbono diverse lunghezze d'onda della luce; le restanti lunghezze d'onda sono i "colori intrinseci" che percepiamo quando vengono riflessi ai nostri occhi.

Il cosiddetto "colore strutturale" funziona diversamente; è una proprietà della fisica, non chimica. I modelli microscopici su alcune superfici riflettono la luce in modo tale che diverse lunghezze d'onda si scontrino e interferiscano l'una con l'altra. Per esempio, le piume di un pavone sono fatte di fibre proteiche trasparenti che non hanno un colore intrinseco, eppure vediamo il cambiamento, blu iridescente, tonalità verdi e viola a causa delle strutture su scala nanometrica sulle loro superfici.

Man mano che diventiamo più abili nel manipolare la struttura alle scale più piccole, però, questi due tipi di colore possono combinarsi in modi ancora più sorprendenti. Penn Engineers ha ora sviluppato un sistema di strisce di semiconduttori su nanoscala che utilizza interazioni strutturali di colore per eliminare completamente il colore intrinseco delle strisce.

Sebbene le strisce debbano assorbire la luce arancione e quindi apparire di una sfumatura di blu, sembrano non avere alcun colore.

La messa a punto di un tale sistema ha implicazioni per i display olografici e i sensori ottici. Potrebbe anche aprire la strada a nuovi tipi di microlaser e rilevatori, elementi fondamentali dei computer fotonici a lungo ricercati.

Lo studio è stato condotto da Deep Jariwala, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, insieme ai membri del laboratorio Huiqin Zhang, uno studente laureato, e Bhaskar Abhiraman, uno studente universitario.

È stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Il sistema sperimentale del ricercatore è costituito da strisce su nanoscala di un semiconduttore bidimensionale, disolfuro di tungsteno, disposti su un supporto d'oro. queste strisce, solo poche decine di atomi di spessore, sono distanziati a lunghezze d'onda sub-ottiche, permettendo loro di emanare il tipo di colore strutturale visto nelle ali delle farfalle e nelle piume di pavone.

"Abbiamo giocato con le dimensioni di questo sistema, ha fatto molte misurazioni sperimentali, e ho fatto molte simulazioni. Poi abbiamo notato qualcosa di strano, " dice Abhiraman. "Se le dimensioni di queste strisce fossero giuste, l'assorbimento della luce arancione, che dovrebbe essere intrinseco al materiale, scomparso! In altre parole, il rivestimento che comprendeva queste strisce è insensibile alla luce in entrata e mostra solo le proprietà del substrato sottostante."

"Altri ricercatori di nanofotonica hanno precedentemente dimostrato che il colore strutturale e questi assorbimenti intrinseci possono interagire; questo è chiamato "accoppiamento forte". Però, nessuno ha mai visto questo tipo di sparizione prima, specialmente in un materiale che altrimenti dovrebbe assorbire quasi il 100 percento della luce, " dice Jariwala. "Nell'esempio delle piume degli uccelli o delle ali delle farfalle, sono le strutture su scala nanometrica del materiale biologico che conferiscono loro colori iridescenti, poiché quei materiali non hanno molto colore intrinseco da soli. Ma se un materiale ha un forte colore intrinseco, dimostriamo che si può fare il contrario e farlo scomparire con opportune nanostrutturazioni. In alcuni modi, sta nascondendo il colore intrinseco del materiale dalla sua risposta alla luce."

Indagare su questo fenomeno implica capire come funziona il colore intrinseco a livello subatomico. Gli elettroni di un atomo sono disposti in diversi livelli concentrici, dipende da quanti elettroni ha quell'elemento. A seconda degli spazi disponibili in tali disposizioni, un elettrone può saltare a un livello superiore quando assorbe l'energia da una certa lunghezza d'onda della luce. Le lunghezze d'onda in grado di eccitare gli elettroni in questo modo determinano quali vengono assorbiti e quali vengono riflessi, e quindi il colore intrinseco di un materiale.

Ricercatori di nanofotonica come Jariwala, Zhang e Abhiraman studiano interazioni ancora più complicate tra gli elettroni ei loro vicini. Quando gli atomi sono disposti secondo schemi cristallini ripetuti, come quelli che si trovano nelle strisce bidimensionali di disolfuro di tungsteno, i loro strati di elettroni si sovrappongono in bande contigue. Queste bande sono ciò che consente ai materiali conduttivi di trasferire le cariche da un elettrone all'altro. semiconduttori, come il disolfuro di tungsteno, sono onnipresenti nell'elettronica perché l'interazione tra le loro bande di elettroni dà luogo a fenomeni utili che possono essere manipolati con forze esterne.

In questo caso, l'interazione della luce e della carica elettrica all'interno delle strisce di semiconduttore ha prodotto l'effetto di "occultamento" senza precedenti.

"Quando l'elettrone è eccitato da lunghezze d'onda arancioni, crea un posto vacante noto come un buco, lasciando il cristallo con una coppia di cariche opposte strettamente legate chiamata eccitone, " dice Jariwala. "Poiché la luce è una forma di radiazione elettromagnetica, il suo campo elettromagnetico può interagire con questa eccitazione di carica e in particolari circostanze annullarla, in modo che un osservatore possa vedere l'arancione del substrato d'oro invece del blu delle strisce sopra di esso."

Nella loro carta, Jariwala e i suoi colleghi hanno dimostrato che gli effetti cromatici strutturali e l'interazione intrinseca dell'assorbimento degli eccitoni possono essere modellati con la stessa identica matematica degli oscillatori accoppiati:le masse che rimbalzano sulle molle.

"Abbiamo applicato questo modello e abbiamo scoperto che in determinate condizioni, questo effetto di scomparsa può essere riprodotto, " Dice Zhang. "È bello che un trucco della meccanica classica possa spiegare il modo in cui la nostra struttura interagisce con la luce".

Questo tipo di colore strutturale, o la sua mancanza, può essere utilizzato per realizzare rivestimenti di spessore nanometrico progettati per essere insensibili alla luce in entrata, il che significa che il rivestimento sembra essere dello stesso colore del materiale sottostante. Diverse disposizioni spaziali di queste caratteristiche su scala nanometrica potrebbero produrre l'effetto opposto, consentendo ologrammi e display brillanti. Tradizionalmente, manipolare tali caratteristiche è stato difficile, poiché i materiali richiesti erano molto più spessi e difficili da fabbricare.

"Poiché questo colore strutturale che osserviamo è anche molto sensibile all'ambiente circostante, "Abhiraman dice, "si può immaginare di realizzare sensori colorimetrici economici e sensibili per sostanze chimiche o molecole biologiche se abbinati all'esca chimica giusta".

"Un'altra area di potenziale applicazione sono gli spettrometri e i fotorivelatori integrati su un chip, "dice. "Anche qui, i materiali semiconduttori tradizionali come il silicio sono difficili da usare poiché le loro proprietà ottiche non favoriscono un forte assorbimento. In virtù della natura confinata quantistica dei materiali 2-D, assorbono o interagiscono con la luce in modo molto forte, e la loro struttura simile a un foglio lo rende facile da posizionare, depositare o rivestire su superfici arbitrarie."

I ricercatori pensano che l'applicazione più potente del loro sistema potrebbe essere nei computer fotonici, dove i fotoni sostituiscono gli elettroni come mezzo per le informazioni digitali, migliorando enormemente la loro velocità.

"L'ibridazione della luce e della materia è stata a lungo utilizzata negli interruttori di comunicazione ottica ed è stata concepita come principio di funzionamento per i laser di potenza a soglia ultra bassa necessari per il calcolo fotonico, " dice Jariwala. "Tuttavia, è stato difficile far funzionare tali dispositivi a temperatura ambiente in modo affidabile e desiderato. Il nostro lavoro mostra un nuovo percorso verso la realizzazione e l'integrazione di tali laser su substrati arbitrari, especially if we can find and replace our current 2-D semiconductors with ones that like to emit a lot of light."