amir_khabib в опалы и фотонные кристаллыНастало время рассказать, что я делаю в лаборатории.
Мне кажется, это интересно, и я постараюсь рассказать так, чтобы поняли все, а не только научные люди.
А делаю я опалы. Точнее, я сначала делаю опалы, а потом делаю из опалов разные интересные штуки, но не украшения. Мои опалы (искусственные) ничем не отличаются от творений господа небесного (природных опалов, которые драгоценные камни).Потому что я бог.
Что такое драгоценный камень опал? Вот он на картинке.
картинка с kimberlits.ru
Опал сделан из маленьких (диаметром около 300 нм) сферических стекляшек или песчинок, кому как удобнее, потому что это всего лишь оксид кремния, SiO2. Маленькие стеклянные шарики выстроены в опале строго один к одному, как солдаты в идеальном строю. Вот опал под микроскопом. Видите как строго упорядочены шарики в опале во всех трех направлениях? А в зазорах всего лишь воздух. Все, больше в опале ничего нет. Стеклянные шарики и воздух.
картинка с http://www.uniqueopals.ch/opal-play-of-colour.htm
Как мы все знаем, стеклянные шарики должны быть прозрачные, ну или белые, ведь мы все видели стекло. Почему же опал светится как дурак разными цветами, да еще и меняет цвет, если вертеть его в руках?
А вот еще вопрос, что роднит природный опал с ярко-зелеными жуками, которые переливаются красками на солнце?
Да, так вот. Опал это образец фотонного кристалла.
Что такое фотонные кристаллы?
Если упрощенно, то фотонные кристаллы (ФК) это материал, который проводит фотоны (т.е. свет) так же, как полупроводник проводит электроны. Так называемая "фотонная запрещенная зона" по аналогии с полупроводниковой запрещенной зоной - это часть спектра, которая будет рассеиваться на кристалле. Это значит, что ФК проводит свет как обычное плоское стекло, отличие лишь в том, что не всякий фотон проскочит через ФК, некоторые могут быть отражены нам прямо в глаз, создавая таким образом цвет. Цвет будет зависеть от того, фотоны какой длины волны будут отражены. А еще цвет зависит от угла, под которым смотреть, поэтому опал и играет цветами на солнце.
Более научно выражаясь, фотонный кристалл это структура, сделанная из двух периодично чередующихся материалов с разными показателями преломления света. Если периодичность структуры сопоставима с длиной волны видимого света, то мы можем на этой структуре наблюдать дифракцию Брэгга, где пики рассеяния описываются очень простой формулой
На картинке нашего опала d - расстояние между центрами соседних шариков, т.е. периодичность структуры. Лямбда - длина волны света, которая через кристалл не проскочит, а будет отражена, а тэта - угол, под которым свет падает на опал.
Упрощенно: цвет опала зависит от того, какого размера шарики его наполняют и из чего они сделаны. Больше шарики - больше длина волны, цвет будет в красной стороне спектра, соответственно, меньше шарики - в синей стороне. А так же цвет зависит от угла, под которым этот опал нужно разглядывать на солнце. В отличие от господа небесного, мы можем делать шарики какого угодно размера и заполнять пространство между ними не только воздухом, но и любым другим материалом.
В природе фотонные кристаллы встречаются не только в виде опалов, но и в крылышках некоторых жуков и прочих насекомых. Если вы видите жука, который переливается на солнце разными оттенками - скорее всего его спина сделана не просто из хитина, а из упорядоченных хитиновых структур, образующих фотонный кристалл. То же самое касается и ракушек с перламутровой раковиной.
Но ученые делают фотонные кристаллы не ради изучения жуков (скорее наоборот, например, на нашем факультете один профессор долго изучал под микроскопом строение жука, чтобы создать соответствующий фотонный кристалл, и таки создал! и попал на обложку престижного журнала Advanced Materials http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200902852/abstract).
Так вот, жуки жуками, но цвет ФК это не самое важная его часть, ведь ФК это своего рода оптический фильтр, и фотонные кристаллы тихой сапой открывают перед человечеством небывалые возможности, особенно в электронике. Собственно, в далеком прекрасном будущем, электронные приборы будут не сугубо электронными, а фотонными. Как я уже сказал выше, если полупроводник для электрона, то фотонный кристалл для фотона, со всеми вытекающими.
А скоро я расскажу зачем мне нужны опалы и что я с ними делаю. Строго говоря, мне нет дела до фотонных дел и до фотонной запрещенной зоны, я с оптикой не работаю. Я выше всей этой мирской суеты.
Мне кажется, это интересно, и я постараюсь рассказать так, чтобы поняли все, а не только научные люди.
А делаю я опалы. Точнее, я сначала делаю опалы, а потом делаю из опалов разные интересные штуки, но не украшения. Мои опалы (искусственные) ничем не отличаются от творений господа небесного (природных опалов, которые драгоценные камни).
Что такое драгоценный камень опал? Вот он на картинке.
Опал сделан из маленьких (диаметром около 300 нм) сферических стекляшек или песчинок, кому как удобнее, потому что это всего лишь оксид кремния, SiO2. Маленькие стеклянные шарики выстроены в опале строго один к одному, как солдаты в идеальном строю. Вот опал под микроскопом. Видите как строго упорядочены шарики в опале во всех трех направлениях? А в зазорах всего лишь воздух. Все, больше в опале ничего нет. Стеклянные шарики и воздух.
Как мы все знаем, стеклянные шарики должны быть прозрачные, ну или белые, ведь мы все видели стекло. Почему же опал светится как дурак разными цветами, да еще и меняет цвет, если вертеть его в руках?
А вот еще вопрос, что роднит природный опал с ярко-зелеными жуками, которые переливаются красками на солнце?
Да, так вот. Опал это образец фотонного кристалла.
Что такое фотонные кристаллы?
Если упрощенно, то фотонные кристаллы (ФК) это материал, который проводит фотоны (т.е. свет) так же, как полупроводник проводит электроны. Так называемая "фотонная запрещенная зона" по аналогии с полупроводниковой запрещенной зоной - это часть спектра, которая будет рассеиваться на кристалле. Это значит, что ФК проводит свет как обычное плоское стекло, отличие лишь в том, что не всякий фотон проскочит через ФК, некоторые могут быть отражены нам прямо в глаз, создавая таким образом цвет. Цвет будет зависеть от того, фотоны какой длины волны будут отражены. А еще цвет зависит от угла, под которым смотреть, поэтому опал и играет цветами на солнце.
Более научно выражаясь, фотонный кристалл это структура, сделанная из двух периодично чередующихся материалов с разными показателями преломления света. Если периодичность структуры сопоставима с длиной волны видимого света, то мы можем на этой структуре наблюдать дифракцию Брэгга, где пики рассеяния описываются очень простой формулой
На картинке нашего опала d - расстояние между центрами соседних шариков, т.е. периодичность структуры. Лямбда - длина волны света, которая через кристалл не проскочит, а будет отражена, а тэта - угол, под которым свет падает на опал.
Упрощенно: цвет опала зависит от того, какого размера шарики его наполняют и из чего они сделаны. Больше шарики - больше длина волны, цвет будет в красной стороне спектра, соответственно, меньше шарики - в синей стороне. А так же цвет зависит от угла, под которым этот опал нужно разглядывать на солнце. В отличие от господа небесного, мы можем делать шарики какого угодно размера и заполнять пространство между ними не только воздухом, но и любым другим материалом.
В природе фотонные кристаллы встречаются не только в виде опалов, но и в крылышках некоторых жуков и прочих насекомых. Если вы видите жука, который переливается на солнце разными оттенками - скорее всего его спина сделана не просто из хитина, а из упорядоченных хитиновых структур, образующих фотонный кристалл. То же самое касается и ракушек с перламутровой раковиной.
Но ученые делают фотонные кристаллы не ради изучения жуков (скорее наоборот, например, на нашем факультете один профессор долго изучал под микроскопом строение жука, чтобы создать соответствующий фотонный кристалл, и таки создал! и попал на обложку престижного журнала Advanced Materials http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200902852/abstract).
Так вот, жуки жуками, но цвет ФК это не самое важная его часть, ведь ФК это своего рода оптический фильтр, и фотонные кристаллы тихой сапой открывают перед человечеством небывалые возможности, особенно в электронике. Собственно, в далеком прекрасном будущем, электронные приборы будут не сугубо электронными, а фотонными. Как я уже сказал выше, если полупроводник для электрона, то фотонный кристалл для фотона, со всеми вытекающими.
А скоро я расскажу зачем мне нужны опалы и что я с ними делаю. Строго говоря, мне нет дела до фотонных дел и до фотонной запрещенной зоны, я с оптикой не работаю. Я выше всей этой мирской суеты.