Ученые Нового физтеха ИТМО разработали оптические нанометки на основе золота и кремния. Преимущество решения — ассиметричная форма наноструктур, которая определяет их оптический отклик при определенном направлении падения света. Метки оказываются видимыми и меняют цвет с желтого на зеленый только под конкретным углом боковой засветки — от 57 до 75 градусов. Под другим углом эффект не наблюдается. Разработка ученых пригодится для защиты оптических чипов, сенсоров и других элементов микроэлектроники. Результаты исследования  в журнале ACS Applied Optical Materials.

Защитные метки от подделок. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS

Для защиты товаров от подделок используются разные метки — например, уникальные QR- или штрих-коды и голограммы. Их удобно использовать в массовом производстве, но также просто подделать, имея нужное оборудование. В поисках более надежных решений ученые изучают перспективные технологии защиты, основанные на оптических свойствах наноструктур. Особый интерес представляют метки, защитные признаки которых можно наблюдать при взаимодействии вещества со светом определенных параметров. В качестве детектируемого защитного признака ученые используют рассеяние. Для управления его эффективностью обычно подбирают подходящие размер, форму и материал наноструктур, а также параметры внешнего возбуждения, такие как угол падения и поляризация света. Однако «рецепт» тонкого управления светом известен только для наноструктур из одного материала, а не двух.

Ученые Нового физтеха ИТМО впервые показали, как рассеивание света зависит от поляризации в гибридных наноструктурах из золота и кремния. Такие наноструктуры напоминают по своей форме микроскопические грибы, состоящие из кремниевого усеченного конуса («ножки») и золотого диска («шляпки»). Взаимодействие падающего электромагнитного поля с грибовидной формой наноструктур из золота и кремния вызвало эффект бианизотропии — состояния, при котором наноструктура одновременно реагирует на электрическое и магнитное поле света. В итоге метка продемонстрировала уникальные оптические свойства — под углом от 57 до 75 градусов она способна изменять цвет, а под остальными углами — нет. Исследование осуществлялось в группе  под руководством ведущего научного сотрудника Нового физтеха ИТМО Дмитрия Зуева и при поддержке исследователей Академического университета им. Ж.И. Алферова.

«На литографе мы создали гибридные наноструктуры из кремния и золота и часть из них модифицировали с помощью фемтосекундного лазера. Потом исследовали образец в геометрии темного поля с использованием различных линейных поляризаций падающего излучения под углом 70 градусов. Оказалось, что в случае, когда вектор электрического поля находится в плоскости падения света, исходные и модифицированные наноструктуры имеют идентичный желтый цвет. В то же время когда вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения, исходные наноструктуры остаются желтыми, а модифицированные становятся зелеными. Возникший эффект можно использовать для создания защитных меток, которые будут заметны только под конкретным углом обзора», — объяснил первый автор исследования, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Павел Кустов.

Демонстрация работы метки. Исходные и модифицированные наноструктуры имеют идентичный желтый цвет. При вращении поляризатора исходные наноструктуры остаются желтыми, а модифицированные становятся зелеными. Изображение предоставлено Павлом Кустовым.

Создавать метки нужно с помощью специального лабораторного оборудования, что служит дополнительным барьером для потенциальных подделок. Считывание метки возможно как вручную, так и с использованием разработанного учеными ИТМО алгоритма на основе методов компьютерного зрения. Важно, что считывание осуществляется лишь при определенной конфигурации оптической установки, когда боковая засветка находится под определенным углом. В таком случае использование разработанного алгоритма позволит проверить подлинность защитной метки, ссылаясь на международный стандарт восприимчивости цвета человеческим глазом Международной комиссии по освещению (стандарт ).

В качестве примера исследователи сформировали изображение человека и собаки размером 20 на 20 микрометров. Параметры и содержание рисунка на метке можно менять на свое усмотрение. Также метки легко масштабируются, что позволяет адаптировать их под любое крупносерийное производство для защиты, например, оптических чипов, сенсоров и других элементов микроэлектроники.

В перспективе ученые планируют выяснить, наблюдается ли найденный эффект в более простых системах. Для этого они возьмут ассиметричные наноструктуры, состоящие из одного материала, и исследуют их поведение при разных модификациях.