光与物质的相互作用是我们日常生活的重要组成部分。这不仅是我们最初看到事物的原因，光与物质的相互作用也导致了一些现象，比如我们在镜子里的反射，水面上的油看起来有颜色，天空是蓝色的。光学现象在中世纪就已经被巧妙地利用了，现在令人兴奋的新研究探索了如何操纵光来控制颜色和化学反应。
我们被这个迷人的领域所吸引，采访了Magnus Jonsson教授，副教授和负责人有机光子学和纳米光学组瑞典Linköping大学有机电子实验室，了解更多信息。
光可以通过许多不同的方式与物质相互作用
琼森教授说，当光与物质相互作用时，会发生很多事情。我们在日常生活中经历的一个现象是，我们看到东西是因为光从表面散射。琼森教授解释说，我们所看到的一切都是由于光在表面上的反射或散射，否则就会一片黑暗。所以，我们能看到东西是因为光在周围反射，最后照射到我们的眼睛。
他说，还有其他现象，比如反射。例如，如果你在外面开车，而路面有点湿，由于光线照射在路面上，你会感受到强烈的反射。琼森教授表示，这被称为镜面反射。琼森教授说，光-物质相互作用现象的其他例子还有衍射，即当光击中障碍物(或开口)时发生的衍射，例如光穿过小孔时发生的衍射，以及折射，即当光从一种介质到另一种介质时发生的折射，例如从空气到水。
通过光来控制颜色和化学反应
琼森教授说，在我的研究小组中，我们专注于用非常小的结构控制光线。他说:“我们尝试通过结构来控制光线，而不是通过颜料或染料等材料的吸收来产生特定的颜色。”我们制作薄膜和纳米结构，并使用所谓的干涉效应和其他效应，来创造颜色并在纳米尺度上操纵光。琼森教授说，还有其他类型的相互作用，它们不是基于你所看到的，你可以用光来控制化学反应等。所以，这不仅与你所看到的有关，还与光存在时系统中发生的事情有关。
光与物质在纳米尺度上的相互作用
因此，在我的研究小组中，我们使用纳米结构来控制光线，琼森教授说。他解释说，当你有一个非常小的结构时，与相同材料的大型结构相比，它的表现可能会非常不同。例如，假设你有一个球，你把它缩小，使它有光本身波长的大小，大约10到几百纳米的大小。在这些尺寸上，当几何尺寸与光波长的几何尺寸相似时，就会出现新的效果。例如，它可以是干涉效应，当你在水中有一层薄薄的油时，你可以看到这种现象。在这种情况下，你通常会在油中看到不同的颜色。琼森教授解释说，这就是所谓的薄膜干涉效应，因为你有一个维度和光波长相同的尺度，即纳米尺度。
他说，我们还经常缩小结构的几个维度，以获得真正的纳米结构，比如纳米颗粒。如果你制造这样的金属结构，它们会有非常有趣的光学性质。琼森教授说，金属在与光相互作用方面的表现与介电材料非常不同。如果你把光照射在一块玻璃上，光就会穿过玻璃。也许它的角度会改变一点，但它仍然会穿过玻璃。但是可见光不能穿过金属。相反，金属会很好地反射光线，这就是为什么我们用金属来做镜子。金属表面非常有光泽，我们甚至称它们为金属表面，因为它们看起来非常反光。它们反射的原因是因为它们有一个负介电常数，即材料的折射率有一个大的虚分量。琼森教授解释说，这就是纳米颗粒与光强烈相互作用的特性。 The light has an oscillating electric field, with oscillation frequency determined by the wavelength of the light. And if you have a metal nanoparticle, like gold or silver, the electrons in the metal will sense this oscillating electric field and can respond to it. They can start to move in resonance with the oscillating light field. And at certain colors, or oscillation frequencies, there can be a resonance of this behavior so that light is strongly scattered or absorbed by the nanoparticle. Such phenomena can occur due to the optical properties of a particle that has the same, or similar, size as the light itself, in combination with it being a metal, Prof. Jonsson explains.
莱库格斯杯和调整纳米颗粒属性来控制光线
Jonsson教授说，光-物质相互作用可以通过调整纳米结构的性质来控制，例如，纳米结构的大小、形状、几何形状和金属的类型。例如，如果你有一个由黄金制成的球形纳米颗粒，比如直径50纳米，它会很好地散射绿色。但如果你改变它的形状，使它被拉长，那么你就会改变结构的颜色。这种知识并不新鲜，人们早就知道了，早在中世纪，甚至更早的时候，就已经用它来制造彩色玻璃了。教堂窗户上使用的彩色玻璃就是通过在玻璃中嵌入金属纳米颗粒，并诱导所谓的等离子体激元制成的。琼森教授说，由于我刚才描述的现象，嵌入的纳米颗粒会散射颜色，给玻璃上色。
所以，这是古老的知识。另一个很好的例子来自罗马时代;在4th世纪，一个现在非常著名的杯子，被称为利库尔格斯杯。琼森教授说，这种杯子的颜色取决于光线的入射和你看它的角度。例如，如果你让光线散射或从杯子反射，它看起来是绿色的。然而，如果你在杯子后面放一个光源，它就会变成漂亮的红色。这是因为照射到你眼睛的光线中去除了绿光成分。你只会看到剩下的颜色成分，在这里红色占主导地位。也就是说，如果你看散射光，它看起来是绿色的，如果你看剩下的，也就是透射光，绿色的光被去掉了，杯子看起来是红色的。琼森教授解释说，这是使天空变蓝的现象，也是太阳到达地平线时越来越红的原因。蓝光被散射，这反过来使太阳看起来更红。他说，与纳米颗粒相比，这是一种不同的散射过程，但结果是相同的。
从中世纪的教堂窗户到最前沿的研究和彩色展示
琼森教授说，在我的研究小组中，我们对了解光与纳米结构的相互作用非常感兴趣，即比人类头发宽度小100到1000倍的结构。我们既做基础研究也做应用研究。我们所从事的一个应用项目与显示器有关。这是一个非常有趣的方向，我们从反射光中产生颜色，并由于纳米结构和不同的干涉效应而获得不同的颜色。这个想法是制作像纸一样的显示器，也就是说，不是发出颜色的显示器，而是你看到颜色的地方，因为房间里的光线或来自太阳的光线会被表面的结构散射或反射。就像一张纸。与传统的发光显示器不同，这种新方法利用了环境光。琼森教授说，这种类型的设备已经在市场上存在，但它们通常是灰色的，我们想制造彩色的。
所以，这些设备就像电子纸或电子阅读器，他说。它们在阳光下工作得很好，而普通的显示器根本无法工作。另一个好处是，它们比传统显示器消耗的能量要少得多，因为它们不需要产生光，只需要保持画面。琼森教授解释说，从本质上讲，这就像在一张纸上写字，但你也可以通过电子方式改变上面写的内容。这种解决方案通常用于平板电脑、公共汽车站的广告牌等需要偶尔改变图像的地方。我们在Chalmers的合作者、Dahlin教授的研究小组已经证明，使用这些系统可以达到视频速率。琼森教授说，这意味着你可以与ipad等不同类型的发射显示器竞争。
收听Jonsson教授的完整采访，了解更多关于不同的光物质相互作用现象，隐形斗篷，以及最前沿的迷人研究。
