Imagina un dispositivo en miniatura que baña cada habitación de tu casa con un tono diferente del arco iris:púrpura para la sala de estar, quizás, azul para el dormitorio, verde para la cocina. Un equipo dirigido por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha, por primera vez, desarrolló dispositivos a nanoescala que dividen la luz blanca incidente en los colores que la componen en función de la dirección de la iluminación, o dirige estos colores a un conjunto predeterminado de ángulos de salida.

Visto desde lejos el dispositivo, denominado filtro de color direccional, se asemeja a una rejilla de difracción, una superficie de metal plana que contiene ranuras o rendijas paralelas que dividen la luz en diferentes colores. Sin embargo, a diferencia de una rejilla, las ranuras de escala nanométrica grabadas en la película de metal opaco no son periódicas, no están igualmente espaciadas. Son un conjunto de líneas ranuradas o círculos concéntricos que varían en espaciado, mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz visible. Estas propiedades reducen el tamaño del filtro y le permiten realizar muchas más funciones que una rejilla.

Por ejemplo, el dispositivo no es uniforme, o aperiódico, La cuadrícula se puede adaptar para enviar una longitud de onda de luz particular a cualquier ubicación deseada. El filtro tiene varias aplicaciones prometedoras, incluida la generación de rojo poco espaciado, píxeles de color verde y azul para pantallas, cosechando energía solar, detectando la dirección de la luz entrante y midiendo el espesor de los recubrimientos ultrafinos colocados encima del filtro.

Además de filtrar selectivamente la luz blanca entrante según la ubicación de la fuente, el filtro también puede funcionar de una segunda forma. Al medir el espectro de colores que pasan a través de un filtro diseñado a medida para desviar longitudes de onda de luz específicas en ángulos específicos, los investigadores pueden señalar la ubicación de una fuente de luz desconocida que incide en el dispositivo. Esto podría ser fundamental para determinar si esa fuente, por ejemplo, es un láser dirigido a un avión.

"Nuestro filtro direccional, con su arquitectura aperiódica, puede funcionar de muchas maneras que fundamentalmente no se pueden lograr con un dispositivo como una rejilla, que tiene una estructura periódica, ", dijo el físico del NIST Amit Agrawal." Con este dispositivo de diseño personalizado, podemos manipular múltiples longitudes de onda de luz simultáneamente ".

Matthew Davis y Wenqi Zhu de NIST y la Universidad de Maryland, junto con Agrawal y el físico del NIST Henri Lezec, describió su trabajo en la última edición de Comunicaciones de la naturaleza . El trabajo se realizó en colaboración con la Universidad de Syracuse y la Universidad de Nanjing en China.

El funcionamiento del filtro de color direccional se basa en la interacción entre las partículas entrantes de luz (fotones) y el mar de electrones que flota a lo largo de la superficie de un metal. Los fotones que golpean la superficie del metal crean ondas en este mar de electrones, generando un tipo especial de onda de luz, plasmones, que tiene una longitud de onda mucho más pequeña que la fuente de luz original.

El diseño y el funcionamiento de los dispositivos aperiódicos no son tan intuitivos y sencillos como sus homólogos periódicos. Sin embargo, Agrawal y sus colegas han desarrollado un modelo simple para diseñar estos dispositivos. El autor principal, Matthew Davis, explicó:"este modelo nos permite predecir rápidamente la respuesta óptica de estos diseños aperiódicos sin depender de una aproximación numérica que consume mucho tiempo, lo que reduce considerablemente el tiempo de diseño para que podamos centrarnos en la fabricación y las pruebas de dispositivos ".