Imagine um dispositivo em miniatura que inunda cada cômodo da sua casa com um tom diferente do arco-íris - roxo para a sala de estar, possivelmente, azul para o quarto, verde para a cozinha. Uma equipe liderada por cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) tem, pela primeira vez, desenvolveu dispositivos em nanoescala que dividem a luz branca incidente em suas cores componentes com base na direção da iluminação, ou direciona essas cores para um conjunto predeterminado de ângulos de saída.

Visto de longe, o dispositivo, conhecido como filtro de cor direcional, assemelha-se a uma rede de difração, uma superfície plana de metal contendo ranhuras ou fendas paralelas que dividem a luz em cores diferentes. Contudo, ao contrário de uma grade, as ranhuras em escala nanométrica gravadas no filme de metal opaco não são periódicas - nem igualmente espaçadas. Eles são um conjunto de linhas ranhuradas ou círculos concêntricos que variam em espaçamento, muito menor do que o comprimento de onda da luz visível. Essas propriedades reduzem o tamanho do filtro e permitem que ele execute muito mais funções do que uma lata de grade.

Por exemplo, o dispositivo não uniforme, ou aperiódico, a grade pode ser adaptada para enviar um determinado comprimento de onda de luz para qualquer local desejado. O filtro tem várias aplicações promissoras, incluindo a geração de vermelho com espaçamento próximo, pixels de cor verde e azul para monitores, captando energia solar, detectar a direção da luz que entra e medir a espessura dos revestimentos ultrafinos colocados no topo do filtro.

Além de filtrar seletivamente a luz branca de entrada com base na localização da fonte, o filtro também pode operar de uma segunda maneira. Medindo o espectro de cores que passam por um filtro projetado de forma personalizada para desviar comprimentos de onda específicos de luz em ângulos específicos, os pesquisadores podem identificar a localização de uma fonte desconhecida de luz atingindo o dispositivo. Isso pode ser fundamental para determinar se essa fonte, por exemplo, é um laser apontado para uma aeronave.

"Nosso filtro direcional, com sua arquitetura aperiódica, pode funcionar de muitas maneiras que não são fundamentalmente alcançáveis ​​com um dispositivo como uma grade, que tem uma estrutura periódica, "disse o físico do NIST Amit Agrawal." Com este dispositivo de design personalizado, somos capazes de manipular vários comprimentos de onda de luz simultaneamente. "

Matthew Davis e Wenqi Zhu do NIST e da Universidade de Maryland, junto com Agrawal e o físico do NIST Henri Lezec, descreveu seu trabalho na última edição da Nature Communications . O trabalho foi realizado em colaboração com a Syracuse University e a Nanjing University na China.

A operação do filtro de cor direcional depende da interação entre as partículas de luz que chegam - fótons - e o mar de elétrons que flutua ao longo da superfície de um metal. Os fótons que atingem a superfície do metal criam ondulações neste mar de elétrons, gerando um tipo especial de onda de luz - plasmons - que tem um comprimento de onda muito menor do que a fonte de luz original.

O design e a operação de dispositivos aperiódicos não são tão intuitivos e simples quanto seus equivalentes periódicos. Contudo, Agrawal e seus colegas desenvolveram um modelo simples para projetar esses dispositivos. O autor principal Matthew Davis explicou, "este modelo nos permite prever rapidamente a resposta óptica desses designs aperiódicos sem depender de aproximação numérica demorada, assim, diminuindo muito o tempo de design para que possamos nos concentrar na fabricação e teste do dispositivo. "