罗马有个神奇的杯子：光从前面照射是绿色的，从后面则是红色的！

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科学家们已经开发出一种方法，通过利用受自然启发的无序图案(通常被视为黑色)，从可用的光谱中，提取更丰富的色彩，其研究发现发表在《自然通讯》期刊上。我们在自然界中看到的颜色，通常来自纳米尺度的图案，它们以特定的方式反射光线。例如，蝴蝶的翅膀可能看起来是蓝色的，因为翅膀表面的微小凹槽只会反射蓝色光。


然而，当表面呈现黑色或白色时，通常是因为纳米级的结构完全无序，导致所有的光要么被吸收，要么被反射。由伯明翰大学领导的一组研究人员，现在已经找到了一种方法来控制光线穿过这些无序表面的方式，以产生鲜艳的颜色。该团队包括德国慕尼黑路德维希·马克西米连大学和中国南京大学的同事，将这种方法与艺术家们几个世纪以来一直在利用的技术进行了比较。


其中最著名的例子是：四世纪罗马Lycurgus杯子，它是由玻璃制成，当光线从前面照射到它时，它看起来是绿色的。但当光线从后面照射进来时，它看起来是红色的。现在研究小组展示了一种精细控制这种效果的方法，以产生非常精确的颜色再现。图像中的不同颜色，用不同厚度的透明材料(如玻璃)在平版印刷版上表示。


最重要的是：研究人员沉积了无序的层，在这种情况下，是由随机金纳米颗粒簇组成。最后，在这一层下面，研究小组放置了一个反射镜，以形成一个透明的空腔，该空腔能够将光或光子的粒子捕获到内部。光子在腔内的行为就像波，在光刻表面下以不同的频率共振，并根据每个波长度释放不同的颜色。通过使用这种技术，该团队能够以精致的色彩精度再现一幅中国水彩画。


大自然产生颜色的不同方式真的很吸引人，如果能有效地利用它们，就可以打开一个比我们迄今看到的更丰富、更鲜艳的颜色宝库，在物理学中，我们习惯于认为纳米制造中的随机性不好。但研究人员展示了在某些具体应用中，随机性可以导致优于有序结构。此外，产生随机结构中的光强真的很强，可以将这一点用于其他物理领域，如新型传感技术。


图示（下同）：基于耦合模理论从宽带吸收过渡到带限反射/透射的无序系统。
无序的生物结构在自然界中无处不在，由于其宽带光学响应和对微扰的鲁棒性，通常会产生白色或黑色。通过明智的设计，无序的纳米结构已经在人工系统中实现，具有独特的光局域化、光子传输和能量收集特性。另一方面，具有宽带响应的无序系统可调性几乎没有被探索过。


研究实现了对无序等离子体系统的可控操纵，通过对耦合到外腔的确定性控制，实现了从宽带吸收到可调反射的转变。从一个推广模型出发，认识到由等离子体纳米团簇组成的无序系统，它们要么作为宽带吸收体工作，要么在可见光范围内具有可重新配置的反射带。研究无序等离子体系统不仅对进一步理解无序物理具有重要意义，而且为各种实际应用提供了一个新平台，如结构颜色图案化。


博科园｜研究/来自：伯明翰大学
参考期刊《自然通讯》
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