Immagina un dispositivo in miniatura che inonda ogni stanza della tua casa con una diversa tonalità dell'arcobaleno:viola per il soggiorno, forse, blu per la camera da letto, verde per la cucina. Un team guidato da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha, per la prima volta, ha sviluppato dispositivi su scala nanometrica che dividono la luce bianca incidente nei suoi colori componenti in base alla direzione dell'illuminazione, o indirizza questi colori a una serie predeterminata di angoli di uscita.

Visto da lontano, il dispositivo, indicato come filtro colore direzionale, assomiglia a un reticolo di diffrazione, una superficie metallica piatta contenente scanalature o fessure parallele che dividono la luce in diversi colori. Però, a differenza di una grata, le scanalature su scala nanometrica incise nella pellicola di metallo opaco non sono periodiche, non equamente distanziate. Sono un insieme di linee scanalate o cerchi concentrici che variano in spaziatura, molto più piccola della lunghezza d'onda della luce visibile. Queste proprietà riducono le dimensioni del filtro e gli consentono di svolgere molte più funzioni rispetto a una griglia.

Ad esempio, non uniforme del dispositivo, o aperiodico, la griglia può essere adattata per inviare una particolare lunghezza d'onda della luce in qualsiasi posizione desiderata. Il filtro ha diverse applicazioni promettenti, compresa la generazione di rosso ravvicinato, pixel di colore verde e blu per display, raccolta di energia solare, rilevando la direzione della luce in ingresso e misurando lo spessore dei rivestimenti ultrasottili posti sopra il filtro.

Oltre a filtrare selettivamente la luce bianca in ingresso in base alla posizione della sorgente, il filtro può funzionare anche in un secondo modo. Misurando lo spettro dei colori che passa attraverso un filtro progettato su misura per deviare specifiche lunghezze d'onda della luce ad angoli specifici, i ricercatori possono individuare la posizione di una fonte di luce sconosciuta che colpisce il dispositivo. Questo potrebbe essere fondamentale per determinare se tale fonte, ad esempio, è un laser puntato su un aereo.

"Il nostro filtro direzionale, con la sua architettura aperiodica, può funzionare in molti modi che fondamentalmente non sono realizzabili con un dispositivo come una grata, che ha una struttura periodica, " ha affermato il fisico del NIST Amit Agrawal. "Con questo dispositivo progettato su misura, siamo in grado di manipolare più lunghezze d'onda della luce contemporaneamente."

Matthew Davis e Wenqi Zhu del NIST e dell'Università del Maryland, insieme ad Agrawal e al fisico del NIST Henri Lezec, descritto il loro lavoro nell'ultima edizione di Comunicazioni sulla natura . Il lavoro è stato svolto in collaborazione con la Syracuse University e la Nanjing University in Cina.

Il funzionamento del filtro colorato direzionale si basa sull'interazione tra le particelle di luce in arrivo, i fotoni, e il mare di elettroni che galleggia lungo la superficie di un metallo. I fotoni che colpiscono la superficie del metallo creano increspature in questo mare di elettroni, generando un tipo speciale di onda luminosa, i plasmoni, che ha una lunghezza d'onda molto più piccola della sorgente luminosa originale.

Il design e il funzionamento dei dispositivi aperiodici non sono così intuitivi e diretti come le loro controparti periodiche. Però, Agrawal ei suoi colleghi hanno sviluppato un modello semplice per la progettazione di questi dispositivi. L'autore principale Matthew Davis ha spiegato, "questo modello ci consente di prevedere rapidamente la risposta ottica di questi progetti aperiodici senza fare affidamento su un'approssimazione numerica che richiede tempo, riducendo così notevolmente i tempi di progettazione in modo da potersi concentrare sulla fabbricazione e sui test dei dispositivi."