La plupart du temps, la couleur d'un matériau découle de ses propriétés chimiques. Différents atomes et molécules absorbent différentes longueurs d'onde de lumière; les longueurs d'onde restantes sont les "couleurs intrinsèques" que nous percevons lorsqu'elles sont réfléchies vers nos yeux.

La soi-disant "couleur structurelle" fonctionne différemment; c'est une propriété de la physique, pas la chimie. Des motifs microscopiques sur certaines surfaces réfléchissent la lumière de telle sorte que différentes longueurs d'onde entrent en collision et interfèrent les unes avec les autres. Par exemple, les plumes d'un paon sont constituées de fibres de protéines transparentes qui n'ont elles-mêmes aucune couleur intrinsèque, pourtant nous voyons le changement, bleu irisé, teintes vertes et violettes en raison des structures nanométriques sur leurs surfaces.

Au fur et à mesure que nous devenons plus aptes à manipuler la structure aux plus petites échelles, cependant, ces deux types de couleurs peuvent se combiner de manière encore plus surprenante. Penn Engineers a maintenant développé un système de bandes semi-conductrices à l'échelle nanométrique qui utilise des interactions de couleur structurelles pour éliminer complètement la couleur intrinsèque des bandes.

Bien que les bandes doivent absorber la lumière orange et apparaître ainsi une nuance de bleu, ils semblent n'avoir aucune couleur.

Le réglage fin d'un tel système a des implications pour les écrans holographiques et les capteurs optiques. Il pourrait également ouvrir la voie à de nouveaux types de microlasers et de détecteurs, éléments fondamentaux des ordinateurs photoniques tant recherchés.

L'étude a été dirigée par Deep Jariwala, professeur adjoint au Département de génie électrique et des systèmes, avec les membres du laboratoire Huiqin Zhang, un étudiant diplômé, et Bhaskar Abhiraman, un étudiant.

Il a été publié en Communication Nature .

Le système expérimental du chercheur est constitué de bandes nanométriques d'un semi-conducteur bidimensionnel, disulfure de tungstène, arrangé sur un support d'or. Ces bandes, seulement quelques dizaines d'atomes d'épaisseur, sont espacés à des longueurs d'onde sous-optiques, leur permettant de dégager le type de couleur structurelle observée dans les ailes de papillon et les plumes de paon.

"Nous avons joué avec les dimensions de ce système, pris beaucoup de mesures expérimentales, et a fait beaucoup de simulations. Ensuite, nous avons remarqué quelque chose de bizarre, " Abhiraman dit. " Si les dimensions de ces bandes étaient juste, l'absorption de la lumière orange, qui doit être intrinsèque au matériau, disparu! En d'autres termes, le revêtement composé de ces rayures est insensible à la lumière entrante et ne montre que les propriétés du substrat sous-jacent."

« D'autres chercheurs en nanophotonique ont déjà montré auparavant que la couleur structurelle et ces absorptions intrinsèques peuvent interagir; c'est ce qu'on appelle le « couplage fort ». Cependant, personne n'a vu ce genre de disparition auparavant, en particulier dans un matériau qui est par ailleurs censé absorber près de 100 pour cent de la lumière, " dit Jariwala. " Dans l'exemple des plumes d'oiseau ou des ailes de papillon, ce sont les structures nanométriques du matériau biologique qui lui donnent des couleurs irisées, puisque ces matériaux n'ont pas beaucoup de couleur intrinsèque en eux-mêmes. Mais si un matériau a une couleur intrinsèque forte, nous montrons qu'on peut faire le contraire et le faire disparaître avec une nanostructuration appropriée. À certains égards, il masque la couleur intrinsèque du matériau de sa réponse à la lumière."

L'étude de ce phénomène implique de comprendre le fonctionnement de la couleur intrinsèque à un niveau subatomique. Les électrons d'un atome sont disposés en différents niveaux concentriques, selon le nombre d'électrons de cet élément. En fonction des places disponibles dans ces aménagements, un électron peut sauter à un niveau supérieur lorsqu'il absorbe l'énergie d'une certaine longueur d'onde de la lumière. Les longueurs d'onde capables d'exciter ainsi les électrons déterminent lesquels sont absorbés et lesquels sont réfléchis, et donc la couleur intrinsèque d'un matériau.

Des chercheurs en nanophotonique comme Jariwala, Zhang et Abhiraman étudient des interactions encore plus compliquées entre les électrons et leurs voisins. Lorsque les atomes sont disposés en motifs cristallins répétitifs, tels que ceux trouvés dans les bandes bidimensionnelles de bisulfure de tungstène, leurs couches d'électrons se chevauchent en bandes contiguës. Ces bandes permettent aux matériaux conducteurs de faire passer des charges d'électron en électron. Semi-conducteurs, comme le disulfure de tungstène, sont omniprésents en électronique car l'interaction entre leurs bandes d'électrons donne lieu à des phénomènes utiles qui peuvent être manipulés avec des forces externes.

Dans ce cas, l'interaction de la lumière et de la charge électrique à l'intérieur des bandes semi-conductrices produisait un effet de "voile" sans précédent.

"Lorsque l'électron est excité par des longueurs d'onde orange, il crée une vacance connue sous le nom de trou, laissant le cristal avec une paire étroitement liée de charges opposées appelée exciton, " dit Jariwala. " Parce que la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique, son champ électromagnétique peut interagir avec cette excitation de charge et dans des circonstances particulières l'annuler, pour qu'un observateur puisse voir l'orange du substrat d'or au lieu du bleu des bandes au-dessus."

Dans leur papier, Jariwala et ses collègues ont montré que les effets de couleur structurels et l'interaction intrinsèque d'absorption d'excitons peuvent être modélisés avec exactement les mêmes mathématiques que les oscillateurs couplés :des masses rebondissant sur des ressorts.

"Nous avons appliqué ce modèle et découvert que sous certaines conditions, cet effet de disparition peut être reproduit, " dit Zhang. " C'est beau qu'une astuce de la mécanique classique puisse expliquer la façon dont notre structure interagit avec la lumière. "

Ce type de couleur structurelle, ou son absence, peut être utilisé pour fabriquer des revêtements d'épaisseur nanométrique qui sont conçus pour être insensibles à la lumière entrante, ce qui signifie que le revêtement semble être de la même couleur que le matériau en dessous. Différentes dispositions spatiales de ces caractéristiques à l'échelle nanométrique pourraient produire l'effet inverse, permettant des hologrammes et des affichages brillants. Traditionnellement, la manipulation de telles caractéristiques a été difficile, car les matériaux requis étaient beaucoup plus épais et plus difficiles à fabriquer.

« Puisque cette couleur structurelle que nous observons est également très sensible à son environnement environnant, " Abhiraman dit, "On peut imaginer fabriquer des capteurs colorimétriques bon marché et sensibles pour les produits chimiques ou les molécules biologiques s'ils sont associés au bon appât chimique."

« Un autre domaine d'application potentiel est celui des spectromètres et photodétecteurs intégrés sur puce, " dit-il. " Même ici, les matériaux semi-conducteurs traditionnels tels que le silicium ont été difficiles à utiliser car leurs propriétés optiques ne sont pas propices à une forte absorption. En raison de la nature confinée quantique des matériaux 2-D, ils absorbent ou interagissent très fortement avec la lumière, et leur structure en forme de feuille permet de les placer, de les déposer ou de les enduire facilement sur des surfaces arbitraires."

Les chercheurs pensent que l'application la plus puissante de leur système pourrait être dans les ordinateurs photoniques, où les photons remplacent les électrons comme support d'information numérique, améliorant considérablement leur vitesse.

"L'hybridation de la lumière et de la matière est utilisée depuis longtemps dans les commutateurs de communication optique et a été envisagée comme le principe de fonctionnement des lasers de puissance à seuil ultra-bas nécessaires au calcul photonique, " dit Jariwala. " Cependant, il a été difficile de faire fonctionner de tels dispositifs à température ambiante d'une manière fiable et souhaitée. Notre travail montre une nouvelle voie vers la fabrication et l'intégration de tels lasers sur des substrats arbitraires, especially if we can find and replace our current 2-D semiconductors with ones that like to emit a lot of light."