Физики из Сингапура объявили о создании инновационного красного материала с беспрецедентной степенью насыщенности цвета. Материал представляет собой массив кремниевых наноантенн, расположенных на кварцевой подложке. Новые спектральные  характеристики данного материала подавляют синюю и зеленую составляющие света, что приводит к получению уникального структурного цвета, выходящего за пределы стандартного цветового треугольника sRGB. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.  Восприятие человеком цвета предметов основано на способности последних отражать и рассеивать падающий свет. Ощущаемый цвет зависит от множества факторов: спектрального состава источника света, оптических свойств объекта и особенностей человеческого цветового зрения. Важной характеристикой цвета является его насыщенность, определяемая как степень отличия данного цвета от серого при одинаковой яркости.

С физической точки зрения, насыщенность характеризуется спектральной плотностью внутри и вне диапазона длин волн, соответствующего данному 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.

Угол хроматической диаграммы, на которой отмечены точки кадмия красного, экспериментальной реализации и симуляции цвета кремниевых наноантенн, а также пиксель Шрёдингера. Белым цветом показан угол треугольника, используемого в стандарте sRGB. Zhaogang Dong et al. / Science Advances, 2022

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. 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.

Красная надпись «BIC», изготовленная из нового материала, и микрофотографии ее участка. Zhaogang Dong et al. / Science Advances

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.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/