Polymerbaserede afstembare optiske komponenter giver mulighed for metaoverflader, der kan skiftes med lys

En materialebelægning, hvis lysbrydningsegenskaber præcist kan skiftes mellem forskellige tilstande, er blevet udviklet af et tværfagligt forskerhold fra kemi- og fysikafdelingerne ved University of Jena. Holdet, ledet af Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel og Isabelle Staude, kombinerede polymerer, der reagerer på lys med såkaldte metasurfaces.

Denne innovation har ført til skabelsen af ​​nye optiske komponenter, der potentielt kan bruges i signalbehandling. Deres resultater er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Kombinering af to etablerede systemer for at skabe noget nyt

"Både metasurfaces og lys-omskiftelige polymerer har været kendt i princippet i årtier," forklarer Sarah Walden fra Institute of Solid State Physics, som nu leder en forskergruppe i Australien. Hun tilføjer:"Men vi er de første til at kombinere begge dele i denne form for at udvikle nye komponenter til optiske applikationer."

Metasurfaces er nanostrukturerede tynde lag, hvis karakteristiske strukturelle størrelser er mindre end lysets bølgelængde. Dette gør det muligt specifikt at påvirke lysets egenskaber og dets udbredelse, hvilket muliggør en række optiske funktioner, som ellers ville blive udført af linser, polarisatorer eller gitre. På den anden side er omskiftelige polymerer plast, hvis egenskaber - såsom lysbrydningsindekset - kan skifte mellem forskellige tilstande.

"De polymerer, vi brugte, indeholder farvestofmolekyler," fortsætter Felix Schacher fra Institut for Organisk Kemi og Makromolekylær Kemi. "Det betyder, at de absorberer lys af en bestemt bølgelængde og dermed ændrer deres struktur - og dermed deres egenskaber, såsom lysets brydningsindeks i dette tilfælde."

For at skifte farvestoffet tilbage til dets tidligere struktur med den tilsvarende egenskab kræves lys af en anden bølgelængde. "Det særlige ved vores system," forklarer fysiker Isabelle Staude, "er, at ændringerne i brydningsindekset påvirker de optiske egenskaber af metaoverfladen, når den er belagt med sådan en polymer."

De opnåede ændringer var overraskende betydelige, selv sammenlignet med tidligere kendte lignende systemer. "Fordi polymererne viser forskellig absorption afhængigt af farvestoffet, kan forskellige effekter udmærket adskilles fra hinanden eller kombineres," opsummerer fysikeren.

Usædvanlig fysisk adfærd

Ud over dette lovende resultat gjorde holdet en overraskende opdagelse. "I vores arbejde brugte vi to forskellige farvestoffer separat, hver påført en metaoverflade. Dette bekræftede effekten," uddyber Schacher. "Men når man blander begge omskiftelige polymerer, opstår der yderligere effekter," rapporterer han. "Vi har mistanke om, at de to forskellige farvestofmolekyler interagerer med hinanden, men vi kan ikke sige med sikkerhed på nuværende tidspunkt." Yderligere undersøgelser er nødvendige for at afklare denne interessante adfærd.

Selvom det primære fokus med disse omskiftelige overflader var at demonstrere det grundlæggende princip, kan forskergruppen forestille sig flere anvendelser. "Da disse overflader kan skifte mellem forskellige egenskabstilstande med lys, er sensorteknologi et naturligt anvendelsesområde," fastslår forskerne.

Det er også tænkeligt, at sådanne omskiftelige overflader kunne anvendes til optisk databehandling. "Selvfølgelig ville det glæde vores team, hvis disse komponenter for eksempel kunne bruges til optiske neurale netværk, som så kunne behandle billedinformation på samme måde, som elektronisk kunstig intelligens kan nu," siger Schacher.

"Men fordi denne type databehandling er baseret på lys frem for elektronik, er den betydeligt mere energieffektiv og hurtigere end traditionel computerbaseret AI."

Flere oplysninger: Sarah L. Walden et al, Two-Color Spatial Resolved Tuning of Polymer-Coated Metasurfaces, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c11760

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Friedrich Schiller University of Jena