Optische Verschlüsselung

Schrödingers Rotes Pixel – Rötestes Rot erzeugt

Robert Klatt

Auf den Punkt gebracht
  • Reines, intensives Rot ohne Farbstiche kommt in der Natur nicht vor, weil das Reflexions-Spektrum blaue und grüne Anteile enthält
  • Physiker haben nun eine Nanostruktur entwickelt, die durch eine klare Trennung von Reflexion und Absorption das rötestes Rot erzeugt
  • In Zukunft könnte die Nanostruktur in der Elektronik, Optik und der optischen Verschlüsselung verwendet werden

Gesättigtes Strukturrot, auch bezeichnet als Schrödingers Rotes Pixel, kommt in der Natur nicht vor. Physiker haben nun eine Nanostruktur erzeugt, die durch eine klare Trennung von Reflexion und Absorption die Farbe bildet.

Singapore (Singapore). In der Natur beruhen Farben häufig nicht auf Pigmenten, sondern auf Strukturfarben. Es handelt sich dabei um kleine Strukturen, die das einfallende Licht so brechen, dass sich der Farbeindruck und oft auch ein Schillern bilden. Ein reines, intensives Rot ohne Farbstiche, auch bezeichnet als gesättigtes Strukturrot ohne, kommt in der Natur jedoch nicht vor.

„Selbst die roten Federn von Papageien erscheinen eher Magenta, weil sie größere blaue und grüne Anteile in ihrem Reflexions-Spektrum haben“, erklärt Zhaogang Dong von der Nationaluniversität Singapur. Ähnlich ist es bei den Körpern einiger Insekten, die in allen Farben des Regenbogens schimmern, jedoch ebenfalls kein gesättigtes Strukturrot enthalten.

Schrödingers Rotes Pixel

Wieso das so ist, versuchte schon der Physiker Erwin Schrödinger zu beantworten. Dabei kam er zu dem Ergebnis, dass gesättigtes Strukturrot nur entstehen kann, wenn eine Oberfläche kurzwelliges Licht komplett schluckt und Licht mit Wellenlängen ab 600 Nanometern komplett reflektiert. Dabei werden Resonanzeffekte unterdrückt, die normalerweise die Abstrahlung von bläulichen und grünen Lichtanteilen verursachen und somit dazu führen, dass ein Material nicht rein Rot, sondern Magenta erscheint.

Die in der Physik als „Schrödingers Rotes Pixel“ bekannte Farbe ist schwer zu realisieren. Laut Dong sind „solche hochgesättigten Rottöne selbst bei synthetischen und natürlichen Pigmentfarben, die auf Lichtabsorption basieren, rar“. Bisher konnte gesättigtes Strukturrot nur über die direkte Emission roten Lichts erzeugt werden.

Nanostruktur erzeugt gesättigtes Strukturrot

Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Science Advances gelang es dem Team um Dong nun eine Nanostruktur zu entwickeln, die ein gesättigtes Strukturrot produziert. Die Nanostruktur setzt sich aus einer Grundplatte aus Quarz mit elliptischen Säulen aus amorphem Silizium zusammen. Auf der Grundplatte sind die Säulen so gekippt, dass sie eine optimale Kombination aus Lichtbrechung und Lichtabsorption ermöglichen. Welche Winkel dazu nötig sind, ermittelten die Forscher mithilfe von Computersimulationen.

Damit keine unerwünschten Störeffekte durch Reflexionen der Grundplatte entstehen, wurde diese mit einer tiefschwarzen, lichtabsorbierenden Schicht abgedeckt. Gemeinsam mit der Säulenstruktur ist so eine klare Trennung von Reflexion und Absorption bei 600 Nanometern möglich.

Weltrekord bei der Rotsättigung

Messungen zeigen, dass die Nanostruktur zwei abgegrenzte Reflexionsmaxima besitzt, die genau in dem von Schrödinger ermittelten Rotbereich liegen. Alle anderen Wellenlänge des Lichts werden vollständig absorbiert. Die normalerweise auftretenden Resonanzeffekte im blaugrünen Bereich kommen also nicht vor. „Unseres Wissens nach repräsentiert das Resultat die höchste je von einer Nanostruktur erreichte Rotsättigung“, schreiben die Forscher.

Es entsteht so ein intensives Rotlicht mit Farbwerte im RGB-Diagramm bei 0,654 und 0,301. „Damit übertrifft dieses Rot alle bisher bekannten im RGB-Dreieck und ist noch gesättigter als das Cadmium-Pigment, mit dem intensives Rot in der modernen Kunst erzeugt wird“, so Dong. Die Nanostruktur hat somit einen neuen Weltrekord bei der Rotsättigung aufgestellt.

Anwendungen in der Elektronik und Optik

„Dieser Erfolg bei der roten Strukturfarbe demonstriert, dass wir durch Modellsimulationen und clevere Nanofabrikation manchmal selbst die Evolution übertrumpfen können“, erklärt Yoel Yang von der Singapurer Universität für Technik und Design. Die Forscher halten es für denkbar, dass die Nanostruktur in der Elektronik, Optik und der optischen Verschlüsselung eingesetzt werden kann.

„Die Produktion eines Rots mit so hoher Intensität und Sättigung eröffnet neue Möglichkeiten für bisher als mit Strukturfarben unerreichbar geltende Anwendungen, darunter den Schutz vor Fälschungen oder neuartige Farbdisplays“, erklärt Cheng-Wei Qiu.

Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abm4512

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