国际团队开发出可用于传感领域的新型光学系统

我想要五彩斑斓的黑色。这条来自甲方爸爸的需求，是近两年设计圈流传的一个梗。此前，美国单车品牌 SPECIALIZED（闪电）的设计师在为世界冠军设计专属自行车时，就按客户需求把代表世界冠军的彩虹元素用在主体为黑色的车身上。

在阳光下，车身黑色喷漆之下的亮片经过阳光反射，也算是达到了所谓“五彩斑斓的黑”的效果。

不过，一组来自伯明翰大学物理与天文学院、慕尼黑大学物理学系、伦敦帝国理工学院物理系、南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构物理国家重点实验室、微结构科学与技术协同创新中心以及南京邮电大学电子光学工程学院、微电子学院的研究团队近日设计了一个由无序的等离子体纳米团簇构成的光学系统，可在黑色中提取出各种颜色，力证黑色真的可以是五彩斑斓的。

当地时间 2020 年 3 月 24 日，该团队题为 Manipulating disordered plasmonic systems by external cavity with transition from broadband absorption to reconfigurable reflection（从宽带吸收到可重构反射的外腔操纵无序等离子体系统）的论文在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

自然界普遍存在的无序生物结构

这一研究的灵感源于自然界中普遍存在的、具有宽带光响应和对扰动的鲁棒性的无序生物结构（disordered biostructures）。

物体表面的纳米尺度结构对光进行反射，便产生了各种颜色。

不过，如果物体表面在纳米尺度的结构处于无序状态，光要么被完全吸收，要么被完全反射，也就呈现出黑色或白色。

在自然界中，一种叫做白金龟的甲虫拥有白色的鳞片，英国物理学家曾受白金龟的启发，研制出了一种新型超白纸张。采用相似的思路，还可能制造出像纸一样白的超稀涂料，或可用于改进书写用纸、人类牙齿的颜色，甚至提高发光体和显示器的亮度。

此外，表面呈现黑白条纹的鱿鱼、黑色羽毛的极乐鸟，这些让世界变得更多元、奇妙的现象，其实都是无序结构的影响。

实际上，随着纳米光子学和纳米制造技术的发展，无序纳米结构因其独特特性——非常规的强度统计、宽带传输增强、理想聚焦、宽带光阱和宽带能量收集——被应用于不同的光学系统中，旨在进行光定位、光子传输和能量收集等。不过，具有宽带光响应的无序系统的可调性却鲜有研究。

由等离子体纳米团簇组成的无序光学系统

基于此，研究团队实现了对无序等离子系统的操控，通过对外腔耦合的确定性控制，实现了从宽带吸收到可调谐反射的转变。

下图是无序等离子系统的三维全波模拟示意图。

具体来讲，研究团队从广义模型出发，设计了由无序的等离子体纳米团簇组成的光学系统，或作为宽带吸收体，或在可见光区具有可重新配置的反射带。

如下图所示，纳米团簇主要是由大小不一的银（Ag）纳米粒子无序排列而成，位于一层由氟化锂（LiF）制成的介电材料之上，氟化锂下置一层银镜（Ag mirror）。

这一结构中有个最重要的部分，即被称为 LiF spacer 的透明腔体。由氟化锂之间的空隙形成的透明腔体不会耗散光，光子在其中以不同的频率共振，根据不同波长释放出各种颜色。

研究人员将腔体的厚度设定为沿着对角线线性增加，从而使得该系统的光响应从大于 90% 的可见光宽带吸收，变成根据不同波长进行的不同反射（反射波长在 400nm 至 750nm 之间）。

通俗来讲就是，科研人员通过改变腔体厚度，改变了光响应模式，进而实现了文章开头所说的“五彩斑斓的黑”。

下图是纳米团簇结构呈现出的图像，经过黑色过渡后，沿着对角线从黑色开始呈现出多种色彩。

对齐白石画作进行色彩重现

那么，这种听着很玄乎的系统，有实用性吗？

实际上，研究团队为验证该系统的可行性，印刷了齐白石的水彩画《牡丹》（下图左为数码复制品），可以看出，其作品中主要包含几种很常见的颜色，如红色、粉红色、黄色、绿色及黑色。研究人员表示，只需简单地调整透明腔体的厚度，就能以极高的色彩精度重现原作（下图右）。

可见，这一成果的意义不仅体现在进一步理解物理意义上的无序，也为各种实际应用（例如结构颜色图案化）提供了新思路，正如研究团队表示：在物理学上，我们习惯于认为纳米加工中的无序不好，但在这里我们证明了，在某些特定情景中，无序结构可以优于有序结构。我们设计的无序系统还可用于其他物理领域，比如新型传感技术。