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.