p A maior parte do tempo, a cor de um material deriva de suas propriedades químicas. Diferentes átomos e moléculas absorvem diferentes comprimentos de onda de luz; os comprimentos de onda restantes são as "cores intrínsecas" que percebemos quando refletidas de volta aos nossos olhos. p A chamada "cor estrutural" funciona de maneira diferente; é uma propriedade da física, não química. Os padrões microscópicos em algumas superfícies refletem a luz de tal forma que diferentes comprimentos de onda colidem e interferem uns com os outros. Por exemplo, as penas de um pavão são feitas de fibras de proteína transparentes que não têm cor intrínseca, ainda vemos mudanças, azul iridescente, tons de verde e roxo por causa das estruturas em nanoescala em suas superfícies.

p À medida que nos tornamos mais hábeis em manipular estruturas nas menores escalas, Contudo, esses dois tipos de cores podem se combinar de maneiras ainda mais surpreendentes. Os engenheiros da Penn desenvolveram agora um sistema de tiras semicondutoras em nanoescala que usa interações de cores estruturais para eliminar inteiramente a cor intrínseca das tiras.

p Embora as tiras devam absorver a luz laranja e, portanto, parecer um tom de azul, eles parecem não ter cor alguma.

p O ajuste fino de tal sistema tem implicações para exibições holográficas e sensores ópticos. Também pode abrir caminho para novos tipos de microlasers e detectores, elementos fundamentais dos tão procurados computadores fotônicos.

p O estudo foi liderado por Deep Jariwala, professor assistente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas, junto com os membros do laboratório Huiqin Zhang, um estudante de graduação, e Bhaskar Abhiraman, uma graduação.

p Foi publicado em Nature Communications .

p O sistema experimental do pesquisador consiste em tiras em nanoescala de um semicondutor bidimensional, dissulfeto de tungstênio, dispostos em um suporte de ouro. Essas tiras, apenas algumas dezenas de átomos de espessura, estão espaçados em tamanhos de comprimento de onda sub-ópticos, permitindo-lhes emitir o tipo de cor estrutural visto nas asas de borboletas e penas de pavão.

p “Jogamos com as dimensões deste sistema, tomou muitas medidas experimentais, e fiz várias simulações. Então percebemos algo estranho, "Abhiraman diz." Se as dimensões dessas tiras estivessem certas, a absorção da luz laranja, que deve ser intrínseco ao material, desaparecido! Em outras palavras, o revestimento que consistia dessas listras é insensível à luz que entra e mostra apenas as propriedades do substrato subjacente. "

p “Outros pesquisadores da nanofotônica mostraram anteriormente que a cor estrutural e essas absorções intrínsecas podem interagir; isso é chamado de 'acoplamento forte'. Contudo, ninguém viu esse tipo de desaparecimento antes, especialmente em um material que deveria absorver quase 100 por cento da luz, "Jariwala diz." No exemplo das penas de pássaros ou asas de borboleta, são as estruturas em nanoescala do material biológico que lhes conferem cores iridescentes, já que esses materiais não têm muita cor intrínseca por conta própria. Mas se um material tem uma cor intrínseca forte, mostramos que se pode fazer o oposto e fazê-lo desaparecer com a nanoestruturação apropriada. Em algumas formas, está ocultando a cor intrínseca do material de sua resposta à luz. "

p A investigação desse fenômeno envolve a compreensão de como a cor intrínseca funciona em um nível subatômico. Os elétrons de um átomo estão dispostos em diferentes níveis concêntricos, dependendo de quantos elétrons esse elemento possui. Dependendo dos espaços disponíveis nesses arranjos, um elétron pode saltar para um nível mais alto quando absorve a energia de um determinado comprimento de onda da luz. Os comprimentos de onda que são capazes de excitar elétrons dessa forma determinam quais são absorvidos e quais são refletidos, e, portanto, a cor intrínseca de um material.

p Pesquisadores de nanofotônica como Jariwala, Zhang e Abhiraman estudam interações ainda mais complicadas entre elétrons e seus vizinhos. Quando os átomos estão dispostos em padrões cristalinos repetidos, como aqueles encontrados nas tiras bidimensionais de dissulfeto de tungstênio, suas camadas de elétrons se sobrepõem em bandas contíguas. Essas bandas permitem que materiais condutores passem cargas de elétron para elétron. Semicondutores, como dissulfeto de tungstênio, são onipresentes na eletrônica porque a interação entre suas bandas de elétrons dá origem a fenômenos úteis que podem ser manipulados com forças externas.

p Nesse caso, a interação de luz e carga elétrica dentro das tiras semicondutoras produziu o efeito de "camuflagem" sem precedentes.

p "Quando o elétron é excitado por comprimentos de onda laranja, cria uma vaga conhecida como buraco, deixando o cristal com um par de cargas opostas fortemente ligadas, chamado de exciton, "Jariwala diz." Porque a luz é uma forma de radiação eletromagnética, seu campo eletromagnético pode interagir com esta excitação de carga e em circunstâncias especiais cancelá-la, de modo que um observador veria o laranja do substrato de ouro em vez do azul das faixas em cima dele. "

p Em seu jornal, Jariwala e seus colegas mostraram que os efeitos estruturais da cor e a interação intrínseca de absorção de excitons podem ser modelados com a mesma matemática que os osciladores acoplados:massas saltando em molas.

p "Aplicamos este modelo e descobrimos que, sob certas condições, este efeito de desaparecimento pode ser reproduzido, Zhang diz. "É lindo que um truque da mecânica clássica possa explicar a maneira como nossa estrutura interage com a luz."

p Este tipo de cor estrutural, ou a falta dela, pode ser usado para fazer revestimentos de espessura nanométrica que são projetados para serem insensíveis à luz que entra, o que significa que o revestimento parece ser da mesma cor do material por baixo. Diferentes arranjos espaciais dessas características em nanoescala podem produzir o efeito oposto, permitindo hologramas e visores brilhantes. Tradicionalmente, manipular esses recursos tem sido difícil, já que os materiais necessários eram muito mais grossos e difíceis de fabricar.

p "Uma vez que esta cor estrutural que observamos também é muito sensível ao ambiente circundante, "Abhiraman diz, "pode-se imaginar a fabricação de sensores colorimétricos baratos e sensíveis para produtos químicos ou moléculas biológicas se combinados com a isca química certa."

p "Outra área de aplicação potencial são espectrômetros e fotodetectores integrados em um chip, "diz ele." Mesmo aqui, os materiais semicondutores tradicionais, como o silício, são difíceis de usar, uma vez que suas propriedades ópticas não conduzem a uma forte absorção. Em virtude da natureza quântica confinada dos materiais 2-D, eles absorvem ou interagem com a luz muito fortemente, e sua estrutura semelhante a uma folha torna mais fácil colocá-los, depositá-los ou revesti-los em superfícies arbitrárias. "

p Os pesquisadores acham que a aplicação mais poderosa de seu sistema pode ser em computadores fotônicos, onde os fótons substituem os elétrons como meio de informação digital, melhorando maciçamente sua velocidade.

p "A hibridização de luz e matéria tem sido usada há muito tempo em comutadores de comunicação óptica e foi concebida como o princípio operacional para os lasers de potência de limiar ultrabaixo necessários para a computação fotônica, "Jariwala diz." No entanto, tem sido difícil fazer com que esses dispositivos funcionem à temperatura ambiente de maneira confiável e desejada. Nosso trabalho mostra um novo caminho para fazer e integrar esses lasers em substratos arbitrários, especialmente se pudermos encontrar e substituir nossos semicondutores 2-D atuais por outros que gostam de emitir muita luz. "