Farvehologram bruger plasmoniske nanopartikler til at lagre store mængder information

(Phys.org) —I det 4 ^th århundrede, romerne byggede en speciel glaskop, kaldet Lycurgus kop, der skifter farver afhængigt af hvilken vej lyset skinner igennem det. Glasset er lavet af fint formalet sølv- og guldstøv, der giver en dikroisk, eller farveskiftende, effekt. Selvom producenterne af Lycurgus-koppen sandsynligvis ikke kendte mekanismen, der var ansvarlig for det farveskiftende glas, i dag anerkender forskere mekanismen som overfladeplasmonresonans, og det er et fænomen, der fortsat har stor videnskabelig interesse.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , Yunuen Montelongo, et al., ved University of Cambridge i Storbritannien, har brugt overfladeplasmonresonans som en ny måde at konstruere hologrammer på. Svarende til Lycurgus-koppen, de nye hologrammer kan ændre farver på grund af lysspredning fra sølv nanopartikler af bestemte størrelser og former. På grund af deres evne til samtidig at skabe to farver og gemme store mængder information, de nye hologrammer kunne have applikationer i 3D-skærme og informationslagringsenheder, blandt andre.

"Dette eksperiment er inspireret af de meget unikke optiske egenskaber, som Lycurgus-koppen viser, " fortalte Montelongo Phys.org . "Dette enestående stykke skifter i farve i henhold til lyskildens position. Hvis det er oplyst fra den ene side, ser det grønt ud, men lyses den fra den anden bliver den rød. I modsætning til andre dikroiske effekter produceret af nogle krystaller, såsom ædle opaler, Lycurgus-koppens farverige effekter er kun lidt afhængige af observatørens position. Faktisk, dikroismen fundet i Lycurgus-koppen har en anden oprindelse end krystaller, og indtil videre er denne 'plasmoniske effekt' ikke blevet observeret i naturligt forekommende materialer."

Selvom der er flere forskellige måder at konstruere hologrammer på, næsten alle traditionelle hologrammer er ensfarvede, og de flerfarvede hologrammer, der findes, står over for begrænsninger. For eksempel, Der findes ingen metodologi, der kan producere flerfarvede hologrammer fra en overflade.

Her, forskerne viste, at det er muligt at konstruere flerfarvede hologrammer fra et enkelt plan. De nye hologrammer består af præcist konstruerede sølvnanopartikler mønstret over et substrat.

En vigtig forskel i de nye hologrammer er den mindre størrelse af diffraktionsfrynserne, som styrer lysbølgelængdeinterferensen. I traditionelle hologrammer, disse frynser er større end halvdelen af ​​lysets bølgelængde. I modsætning, frynserne her er erstattet med nanopartikler mindre end halvdelen af ​​lysets bølgelængde. Forskerne viste, at den smallere bånddiffraktion, som skaber de farverige effekter, produceres ved plasmonisk-forstærket optisk spredning af nanostrukturerne.

Subbølgelængdeafstanden giver visse fordele. For eksempel, to forskellige typer plasmoniske nanopartikler kan multiplekses, eller kombineret, men ikke koblet, ved subbølgelængde afstande. Ved at bruge nanopartikler af sølv med forskellige former og størrelser, forskerne kunne kontrollere farverne.

Ud over at give flere farver, multipleksing af to nanopartikler har den fordel at øge båndbreddeinformationsgrænserne. Forskerne viste, at hver nanopartikel bærer uafhængig information, såsom polarisering og bølgelængde, som kan styres samtidigt. Med dobbelt så mange nanopartikler, den samlede mængde af lagret binær information kan overstige de traditionelle grænser for diffraktion.

"Det er blevet vist, at nanopartikler med resonansegenskaber kan afkobles over subbølgelængdeafstande, så deres elektromagnetiske felter har minimal interaktion, " sagde Montelongo. "Den præsenterede enhed viser, at disse nanopartikler kan lagre og overføre uafhængig information ud over diffraktionsgrænserne, hvilket er i modsætning til ikke-resonante strukturer. På grund af arten af ​​dette fænomen, det har været muligt at påvise, for første gang, et hologram, der projicerer farvebilleder i 180 grader. Denne projektion er så bred, at det ikke engang er muligt at vise den på et fly, og en diffusiv kugle skal bruges."

Disse funktioner gør det nye hologram meget attraktivt for fremtidige anvendelser.

"Udover den åbenlyse anvendelse til at erstatte de typiske 'regnbue-hologrammer' af kreditkort og andre sikkerhedsgenstande, dette fænomen kan bruges til billedprojektion på kugler, hvilket hidtil ikke er opnået med konventionel optik, " sagde medforfatter Calum Williams ved University of Cambridge. "Desuden, dette koncept kan anvendes som grundlag for at producere dynamiske tredimensionelle farvedisplays. Inden for informatik, disse holografiske konfigurationer kunne lagre information i subbølgelængdeområder. Det betyder, at optiske datalagringsenheder såsom cd'er, DVD'er eller Blu-ray kan potentielt udvide deres lagergrænser."

Forskerne planlægger at undersøge disse applikationer og andre yderligere i fremtiden.

"Fremtidig forskning er fokuseret på studiet af mekanismer til tuning af den plasmoniske effekt til displayapplikationer, " sagde Montelongo. "Hovedmålet er integrationen af ​​nye modulationsordninger for at producere ultratynde skærme og dynamiske hologrammer."

© 2014 Phys.org