ローマには魔法のカップがあります。前方から光が当たると緑色になり、後方から光が当たると赤色になります。

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科学者たちは、通常は黒色として見られる自然界にヒントを得た無秩序なパターンを利用して、利用可能な光のスペクトルからより豊かな色を抽出する方法を開発した。彼らの研究結果はNature Communications誌に掲載されている。自然界で見られる色は、多くの場合、光を特定の方法で反射するナノスケールのパターンから生じます。たとえば、蝶の羽が青く見えるのは、羽の表面にある小さな溝が青い光だけを反射するためです。

しかし、表面が黒または白に見える場合、それは通常、ナノスケールの構造が完全に無秩序であり、すべての光が吸収されるか反射されるためです。バーミンガム大学が率いる研究チームは、光がこれらの無秩序な表面を通過する様子を制御して鮮やかな色を作り出す方法を発見した。ドイツのミュンヘン・ルートヴィヒ・マクシミリアン大学と中国の南京大学の同僚を含む研究チームは、このアプローチを何世紀にもわたって芸術家たちが利用してきた技法と比較した。

最も有名な例の 1 つは、4 世紀のローマのリュクルゴスのカップです。これはガラスで作られており、正面から光が当たると緑色に見えます。しかし、後ろから光が当たると赤く見えます。現在、研究チームはこの効果を細かく制御して非常に正確な色再現を実現する方法を実証しました。画像内のさまざまな色は、異なる厚さの透明材料 (ガラスなど) を使用してリトグラフ版上に表現されます。

要点：研究者らは、この場合、金ナノ粒子のランダムなクラスターからなる無秩序な層を堆積しました。最後に、研究チームはこの層の下に鏡を配置し、光の粒子、つまり光子を内部に閉じ込めることができる透明な空洞を作りました。光子は空洞内で波のように動作し、フォトリソグラフィ表面の下でさまざまな周波数で共鳴し、各波の長さに応じてさまざまな色を放出します。この技術を使用することで、チームは中国の水彩画を非常に正確な色彩で再現することができました。

自然が色を生み出すさまざまな方法は本当に魅力的であり、それを効果的に利用できれば、これまで私たちが目にしてきたものよりも豊かで鮮やかな色の宝庫が開けるかもしれません。物理学では、ナノファブリケーションにおけるランダム性は悪いことだと考えるのが一般的です。しかし研究者たちは、特定の用途においては、ランダム性によって秩序だった構造よりも優れた構造が生まれる可能性があることを示した。さらに、生成されたランダム構造の光の強度は非常に強いため、新しいセンシング技術など、物理学の他の分野でも活用できます。

図（以下同じ）：結合モード理論に基づいて、広帯域吸収から帯域制限反射/透過に移行する無秩序システム。

無秩序な生物学的構造は自然界に遍在し、その広帯域光学応答と摂動に対する堅牢性により、白または黒の色を生成することがよくあります。賢明な設計により、光の局在、光子の輸送、エネルギーの収集といった独自の特性を持つ人工システムにおいて、無秩序なナノ構造が実現されました。一方、広帯域応答を持つ無秩序システムの調整可能性についてはほとんど研究されていません。

この研究では、無秩序なプラズマシステムの制御可能な操作を実現し、外部キャビティとの結合の決定論的制御を通じて、広帯域吸収から調整可能な反射への移行を実現しました。一般化されたモデルから始めて、広帯域吸収体として機能するか、可視範囲で再構成可能な反射帯域を持つプラズモニックナノクラスターで構成される無秩序システムを実現します。無秩序プラズモニックシステムの研究は、無秩序物理学のさらなる理解にとって非常に重要であるだけでなく、構造色パターン形成などのさまざまな実用的なアプリケーションのための新しいプラットフォームも提供します。

ボー・ケ・ユアン研究/出典: バーミンガム大学

参考ジャーナル: Nature Communications

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