Физики создали рекордно красный материал

The Matrix / Warner Bros., 1999

Сингапурские физики сообщили о создании красного материала с рекордной насыщенностью цвета. Он представляет собой массив кремниевых наноантенн на кварцевой подложке, в спектрах которых подавляются синие и зеленые компоненты. Полученный учеными структурный цвет лежит за пределами треугольника на хроматической диаграмме, используемого в стандарте sRGB. Исследование опубликовано в Science Advances.

Наша возможность видеть предметы глазами основана на их способности отражать и рассеивать падающий свет. Цвет предмета, который воспринимает человек, зависит от множества факторов: от спектрального состава падающего света, от оптических свойств самого предмета, а также от особенностей работы нашего цветового зрения. Среди прочего цвет можно характеризовать насыщенностью, то есть мерой его отличия от оттенка серого при равной светлости. С точки зрения физики насыщенность характеризуется спектральной плотностью внутри и вне диапазона, соответствующего заданному цвету. Для максимально насыщенного цвета она равна нулю за его пределами.

Таким условиям удовлетворяют источники света с узким спектром излучения, например, лазеры. Но сделать так, чтобы сами освещаемые предметы обладали насыщенным цветом, гораздо сложнее. Обычно это достигается с помощью добавления в их состав (или в состав красок, которыми они покрываются) разнообразных пигментов и красителей, обладающих нужными атомными или молекулярными резонансами. Другой подход основан на структурных резонансах, например, плазмонном резонансе, резонансе Ми или брэгговской дифракции.

Оба этих принципа ответственны за формирование цветов в живой и неживой природе. Однако, что в природе, что в лабораториях пока не удается получить по-настоящему насыщенный красный цвет. Достигаемая сегодня насыщенность красного цвета, например, с помощью кадмия красного, остается в пределах стандартного треугольника sRGB. Даже красные перья тропических птиц не полностью красные: в их спектрах всегда содержатся синие или зеленые компоненты. Фундаментальной причиной этого стало то, что резонаторы, которые поддерживают моды с длинами волн от 600 нанометров и более, ответственные за красный цвет, часто поддерживают и моды более высокого порядка. Поэтому физики активно ищут способ подавить эти коротковолновые компоненты без ущерба для основного тона.

Чжаоган Дун (Zhaogang Dong) Национальный университет Сингапура с коллегами сообщили о том, что им удалось создать материал, красная поверхность которого обладает рекордной насыщенностью. Добиться такого эффекта получилось за счет правильного подбора формы и расположения двух кремниевых наноантенн, поддерживающих квазисвязанные состояния в континууме.

Модовый состав света представляет собой функцию от частоты или длины волны, которая в общем случае может быть какой угодно. Наш глаз, однако, редуцирует это множество до цветового ощущения, которое может быть описано в виде суперпозиции сигналов от трех типов колбочковых клеток сетчатки глаза. Каждая из этих клеток возбуждается согласно своему профилю спектральной чувствительности, которые имеют максимумы на длинах волн 443 (синий), 544 (зеленый) и 570 (красный) нанометров, соответственно. Это означает, что одному и тому же цвету может соответствовать целое множество спектров.

Для формализации цвета ученые разработали различные математические модели, определяющие цветовые пространства, эталоном которых стала модель CIE XYZ. В ее рамках все физически реализуемые цвета, которые может увидеть наш глаз, расположены в пределах двумерного контура, который носит название хроматической диаграммы. Краю этого контура соответствуют цвета, вызываемые различными монохроматическими компонентами света (за исключением линии пурпуров), следовательно, максимально насыщенные. Элемент изображения, обладающего таким цветом, получил название пикселя Шрёдингера в честь знаменитого физика, который активно изучал этот вопрос.

Авторы попытались получить красный пиксель Шрёдингера с помощью двух кремниевых наноантенн с эллиптическим сечением на кварцевой подложке, расположенных под углом друг к другу. Выбранная форма поддерживает в резонаторах высокодобротные квазисвязанные состояния в континууме (подробнее о них мы недавно рассказывали). Физики подобрали геометрические параметры таким образом, чтобы синие и зеленые компоненты спектра пары резонаторов эффективно подавлялись за счет утечки в подложку, а также за счет поглощения аморфным кремнием. Симуляции показали, что структура, собранная из таких наноантенн, может обладать цветом, близким к шрёдингеровскому.

Для экспериментальной реализации этой идеи авторы выращивали на кварцевой подложке слой аморфного кремния, из которого вытравливали массив наноантенн нужной формы. Для борьбы с нежелательным отражением кварца они дополнительно покрыли его черными чернилами с обратной стороны. Измерение спектра отражения такой структуры показало, что, хотя ее реальная насыщенность оказалась несколько ниже расчетной, полученный красный цвет вышел за пределы треугольника на хроматической диаграмме, используемом в стандарте sRGB.

Физики также обнаружили зависимость насыщенности от угла и поляризации падающего света. Они предполагают, что этот эффект может быть использован для поляризационного шифрования и защиты от подделок. Авторы также смогли теоретически воспроизвести эффект для зеленого пикселя Шрёдингера. Однако для создания насыщенного синего цвета на основе использованных эффектов придется подбирать другой материал из-за того, что кремний его хорошо поглощает.

Создание материала из рекордно красного цвета, пожалуй, должно обрадовать жителей Йемена, чей флаг состоит из красного, белого и черных цветов, поскольку рекордно черный и рекордно белый цвет физики уже научились получать.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.