Фізики створили рекордно червоний матеріал

Сінгапурські фізики повідомили про створення червоного матеріалу з рекордною насиченістю кольору. Він являє собою масив кремнієвих наноантен на кварцовій підкладці, у спектрах яких пригнічуються сині та зелені компоненти. Отриманий вченими структурний колір лежить за межами трикутника на хроматичній діаграмі, що використовується в стандарті sRGB. Дослідження опубліковано в.

Наша можливість бачити предмети очима заснована на їх здатності відображати і розсіювати падаюче світло. Колір предмета, який сприймає людина, залежить від безлічі факторів: від спектрального складу падаючого світла, від оптичних властивостей самого предмета, а також від особливостей роботи нашого колірного зору. Серед іншого колір можна характеризувати насиченістю, тобто мірою його відмінності від відтінку сірого при рівній світлості. З точки зору фізики насиченість характеризується спектральною щільністю всередині і поза діапазоном, відповідним заданому кольору. Для максимально насиченого кольору вона дорівнює нулю за його межами.

Таким умовам задовольняють джерела світла з вузьким спектром випромінювання, наприклад, лазери. Але зробити так, щоб самі освітлювані предмети мали насичений колір, набагато складніше. Зазвичай це досягається за допомогою додавання до їх складу (або до складу фарб, якими вони покриваються) різноманітних пігментів і барвників, що володіють потрібними атомними або молекулярними резонансами. Інший підхід заснований на структурних резонансах, наприклад, плазмонному резонансі, резонансі Мі або брегівській дифракції.

Обидва ці принципи відповідальні за формування квітів у живій і неживій природі. Однак, що в природі, що в лабораторіях поки не вдається отримати по-справжньому насичений червоний колір. Насиченість червоного кольору, яка сьогодні досягається, наприклад, за допомогою кадмію червоного, залишається в межах стандартного трикутника sRGB. Навіть червоні пір'я тропічних птахів не повністю червоні: у їх спектрах завжди містяться сині або зелені компоненти. Фундаментальною причиною цього стало те, що резонатори, які підтримують моди з довжинами хвиль від 600 нанометрів і більше, відповідальні за червоний колір, часто підтримують і моди більш високого порядку. Тому фізики активно шукають спосіб придушити ці короткохвильові компоненти без шкоди для основного тону.

Чжаоган Дун (Zhaogang Dong) Національний університет Сінгапуру з колегами повідомили про те, що їм вдалося створити матеріал, червона поверхня якого має рекордну насиченість. Домогтися такого ефекту вийшло за рахунок правильного підбору форми і розташування двох кремнієвих наноантен, що підтримують квазісвязані стани в континуумі.

Модовий склад світла являє собою функцію від частоти або довжини хвилі, яка в загальному випадку може бути якою завгодно. Однак наше око редукує це безліч до кольорового відчуття, яке може бути описано у вигляді суперпозиції сигналів від трьох типів колбочкових клітин сітківки ока. Кожна з цих клітин збуджується відповідно до свого профілю спектральної чутливості, які мають максимуми на довжинах хвиль 443 (синій), 544 (зелений) і 570 (червоний) нанометрів, відповідно. Це означає, що одному кольору може відповідати ціла безліч спектрів.

Для формалізації кольору вчені розробили різні математичні моделі, що визначають колірні простори, еталоном яких стала модель CIE XYZ. У її межах всі фізично реалізовані кольори, які може побачити наше око, розташовані в межах почесного контуру, який носить назву хроматичної діаграми. Краї цього контура відповідають кольору, що викликаються різними монохроматичними компонентами світла (за винятком лінії пурпурів), отже, максимально насичені. Елемент зображення, що має такий колір, отримав назву пікселя Шредінгера на честь знаменитого фізика, який активно вивчав це питання.

Автори спробували отримати червоний піксель Шредінгера за допомогою двох кремнієвих наноантен з еліптичним перерізом на кварцовій підкладці, розташованих під кутом один до одного. Обрана форма підтримує в резонаторах високодобротні кваззов'язані стани в континуумі (детальніше про них ми нещодавно розповідали). Фізики підібрали геометричні параметри таким чином, щоб сині та зелені компоненти спектру пари резонаторів ефективно придушувалися за рахунок витоку в підкладку, а також за рахунок поглинання аморфним кремнієм. Симуляції показали, що структура, зібрана з таких наноантен, може володіти кольором, близьким до шредингерівського.

Для експериментальної реалізації цієї ідеї автори вирощували на кварцовій підкладці шар аморфного кремнію, з якого витравлювали масив наноантен потрібної форми. Для боротьби з небажаним відображенням кварцу вони додатково покрили його чорними чорнилом зі зворотного боку. Вимірювання спектра відображення такої структури показало, що, хоча її реальна насиченість виявилася дещо нижче розрахунковою, отриманий червоний колір вийшов за межі трикутника на хроматичній діаграмі, що використовується в стандарті sRGB.

Фізики також виявили залежність насиченості від кута і поляризації падаючого світла. Вони припускають, що цей ефект може бути використаний для поляризаційного шифрування і захисту від підробок. Автори також змогли теоретично відтворити ефект для зеленого пікселя Шредінгера. Однак для створення насиченого синього кольору на основі використаних ефектів доведеться підбирати інший матеріал через те, що кремній його добре поглинає.

Створення матеріалу з рекордно червоного кольору, мабуть, має порадувати жителів Ємену, чий прапор складається з червоного, білого і чорних кольорів, оскільки рекордно чорний і рекордно білий колір фізики вже навчилися отримувати.