«Девушку с жемчужной сережкой» нарисовали наностолбиками с изменяемой яркостью ( 2 фото )

Ян Вермеер, «Девушка с жемчужной сережкой» (1665 год, фрагмент)

Wikimedia Commons

Физики создали микроструктуру из наностолбиков, с помощью

изменения формы и пространственной ориентации которых можно регулировать не

только цвет, но и яркость проходящего сквозь них света. Изменяемая интенсивность излучения каждого «пикселя» в такой структуре позволила ученым

работать со светотенью и получать реалистичные глубокие изображения. В качестве

примера исследователи воссоздали «Девушку с жемчужиной сережкой» — знаменитую картину

нидерландского художника Яна Вермеера. Как сообщают авторы статьи, опубликованной

в журнале Optica, такая

техника позволяет создавать фотографичные изображения чрезвычайно малых размеров

с плавным смешением цвета, а в будущем технологию можно будет использовать при оптоволоконной передаче информации.

Ученые уже давно научились использовать наноструктуры для окрашивания

попадающего на них света: в подобных устройствах регулирование размеров структур приводит

к изменению резонансной частоты, на которой они излучают. В большинстве случаев это работает благодаря плазмонным резонансам в металлических наноструктурах, но недавно физики смогли использовать для этого и диэлектрические метаматериалы,

принцип работы которых основан на резонансах в процессе рассеяния

Ми. Однако такие технологии не предполагают изменения яркости конечного

излучения, а работа со светотенью необходима для создания реалистичных

изображений.

Теперь же исследователи из Китая и США при участии Пончэн Хо (Pengcheng Huo) из Нанкинского университета научились изменять яркость проходящего сквозь наноструктуру света и создавать с помощью этого детализированные изображения. В качестве

холста ученые использовали метаповерхность — набор эллиптических

наностолбиков из диоксида титана на плоской подложке из диоксида кремния. Структуру создали с помощью электронной

литографии с последующим атомно-слоевым

осаждением, что позволило ученым крайне точно регулировать размер и форму

напыляемых наноструктур.

Каждому «пикселю» конечного изображения соответствовали пять наностолбиков трех разных размеров: два столбика с большой и малой осью в 250

и 50 нанометров, еще два — с осями в 320 и 80 нанометров, и последний — в 440 и 170

нанометров. Самые маленькие в сечении столбики при попадании на них белого

света светились синим, средние — зеленым, а самый большой — красным, а высота наноструктур была равна 600 нанометрам.

В процессе изготовления физики рассчитывали и меняли

угол между осью каждого наностолбика и направлением поляризации падающего на

структуру белого света. Подобные эллиптические наноструктуры поляризуют излучение, а значит, таким образом ученые могли менять интенсивность свечения каждого из наностолбика и плавно переходить между цветами и

их яркостью, вплоть до полного затемнения.


(a) – схема формирования изображения, (b) – спектры излучения различных наностолбиков в случае, если большая полуось параллельна поляризации падающего света (сплошная линия) или находится под углом к ней (пунктир) (c,d) – расположение наностолбиков, (e) – полученное изображение.

Pengcheng Huo et al. / Optica, 2020

Для демонстрации такого способа формирования изображений на

наномасштабе физики посветили на метаповерхность белым поляризованным

светом, и получили точную (за исключением размера) копию «Девушки с жемчужиной сережкой» Яна Вермеера. Размер изображения не превысил двух квадратных миллиметров, а цвета и тени картины были достаточно близки к оригиналу. Несмотря на такую художественность демонстрации, разработанная технология может использоваться и в прикладных целях: к примеру, для регулирования

яркости и длин волн излучения при оптоволоконной передаче информации.

Наноструктуры могут использоваться не только для изменения

цвета или интенсивности излучения, но и для его фокусировки: ранее мы

рассказывали о том, как физики с помощью металинзы сфокусировали свет

во всем видимом диапазоне. А с помощью нанесения на стекло нанотекстур, похожих

на описанные выше наностолбики, химики сделали его

прозрачнее.

Никита Козырев