Les scientifiques ont créé de nouvelles surfaces nanostructurées 2D qui apparaissent comme des objets 3D réalistes - y compris des ombres et des ombres - en utilisant une nano-ingénierie de pointe.

La recherche a été menée par le King's College de Londres aux côtés de la Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, et est publié dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

Lorsque la lumière frappe un objet, la couleur, texture, et la forme affectent la façon dont la lumière est absorbée et réfléchie, vous permettant de distinguer l'objet devant vous. En modifiant la surface pour changer la façon dont la lumière est réfléchie, il est possible de manipuler son apparence.

Les chercheurs ont développé des matériaux en couches, incorporant des nano-caractéristiques conçues avec précision plus petites que la longueur d'onde de la lumière, appelées métasurfaces. Cela leur a permis de contrôler la façon dont la lumière est réfléchie de manière très précise, pour qu'une surface 2D réfléchisse la lumière comme le ferait un objet 3D.

Emprunter une technique à l'infographie 3D appelée Normal Mapping, les chercheurs ont codé des effets d'ombre dans l'image, créer des images 3D plus réalistes que les hologrammes ou le cinéma 3D. Comme preuve de concept, les chercheurs ont fabriqué une métasurface plate imitant les effets d'éclairage et d'ombrage d'un cube en 3D.

Changer notre façon de voir la lumière

La technique pourrait avoir d'énormes implications pour les industries optiques, y compris dans les écrans de télévision et la photographie, ainsi que dans les étiquettes de sécurité pour protéger les marchandises et les billets de la contrefaçon.

Le professeur Anatoly Zayats du King's College déclare :« Les métasurfaces sont incroyables. Elles ouvrent une liberté sans précédent dans la direction et la manipulation de la lumière. ou un nouveau mouvement de l'art 3D."

La capacité de contrôler la lumière pourrait apporter de nouvelles fonctionnalités aux petits objectifs de caméra. Une surface plane peut être rendue optiquement convexe en concevant des propriétés de métasurface appropriées. Les futures générations d'appareils photo pour smartphones pourraient utiliser les minuscules métasurfaces plates qui imitent les propriétés des objectifs d'appareils photo incurvés sophistiqués, permettant un contrôle beaucoup plus important de l'angle et de la profondeur de champ.

Les métasurfaces pourraient également remplacer les lentilles optiques lourdes dans des applications telles que les satellites, où le poids et la taille ont un grand impact sur l'efficacité.

Plus immédiatement, les nouveaux nanomatériaux peuvent déjà être utilisés pour créer des images 3D complexes uniques pour des applications de sécurité et de lutte contre la contrefaçon, ainsi que pour les nouvelles applications de mesure nécessitant un contrôle précis de la lumière.

Bien plus qu'un hologramme

Contrairement aux hologrammes, qui nécessitent une source de lumière cohérente telle qu'un laser pour être vue, ces surfaces manipulent la réflexion de la lumière normale afin qu'elles apparaissent comme un objet 3D réaliste dans n'importe quelle condition d'éclairage et sous n'importe quel angle.

Les approches holographiques existantes reposent sur la « réflexion spéculaire », c'est-à-dire que la lumière provenant d'une direction particulière est réfléchie dans une direction sortante unique, comme avec un miroir. Afin d'obtenir des effets d'ombrage dynamiques, une conception de métasurface implique une « réflexion diffuse » – qui permet de contrôler ses propriétés de diffusion afin que l'image puisse être vue directement dessus.

Pour la preuve de concept, les chercheurs ont conçu un cube en utilisant la technique de cartographie normale, qui a été codé dans la métasurface. Lorsqu'il est allumé, la métasurface "calcule" instantanément à quoi devrait ressembler une représentation 3-D de l'image et l'affiche.

Dr Alexandre Minovich, La Royal Society Newton International Fellow au King's College de Londres, a déclaré : « La cartographie normale démontrée avec notre métasurface est un concept complètement nouveau, mais cela pourrait avoir des implications très importantes pour un large éventail d'industries optiques, à la fois en introduisant de nouvelles fonctionnalités et en rendant les produits plus petits et plus légers."