Природа создает алмазоподобные кристаллы для оптических компьютеров будущего.
Исследователям не удалось создать идеальный "фотонный кристалл" с целью манипулирования видимым излучением, препятствуя исполнению мечты о сверхскоростном оптическом компьютере. Однако ученые из университета Юта недавно обнаружили, что природа уже создала фотонные кристаллы с идеальной, как у бриллианта, структурой: это мерцающие переливающиеся зеленые чешуйки жука из Бразилии.
"Оказывается, что такое простое существо как жук обеспечивает нас технологически наиболее требуемыми структурами для следующего поколения ЭВМ", - говорит руководитель исследования Майкл Бартл, доцент химии и нештатный доцент физики в Университете Юты. "Природа имеет свои простые способы создания структур и материалов, которые все же невозможно получить искусственно, даже имея такую как у нас дорогостоящую аппаратуру и инженерно-технологические стратегии".Исследование, проведенное Бартлом, Джереми Галушей, аспирантом химии в Университете Юты, и их коллегами, будет опубликовано в конце этой недели в журнале Physical Review E.
Этот жук величиной в один дюйм принадлежит к семейству долгоносиков под названием Lamprocyphus augustus. Благодаря открытию кристаллической структуры его чешуек, ученые впервые имели возможность работать с материалом с идеальной или "первоклассной" организацией фотонного кристалла. "Природа использует простые методы создания структур, манипулирующих излучением, - структур, недосягаемых при наших настоящих возможностях", - говорит Галуша.
В настоящее время Бартл и Галуша пытаются сконструировать синтетическую версию фотонных кристаллов жука, используя материал чешуек в качестве шаблона для создания кристаллов из прозрачного полупроводника.
Чешуйки нельзя использовать в технических устройствах, потому что они сделаны из хитина, материала, напоминающего по плотности ноготь, который недостаточно стабильный для длительного использования, не является полупроводником и неадекватно преломляет свет. Химики из университета Юта провели исследование совместно с Лорен Ричи, студенткой Университета им. Бригхема Янга (BYU), Джоном Гарднером, профессором биологии в Университете им. Бригхема Янга; и Дженифер Ча из исследовательского Центра IBM в Сан Хосе, штат Калифорния.
Квест для идеального или "первоклассного" фотонного кристалла.
Исследователи пытаются найти фотонные кристаллы, так как они имеют своей целью разработать оптические компьютеры, которые работают от света (фотонов), а не от электричества (электронов). В настоящее время излучение длин волн видимого и ближнего инфракрасного диапазонов может переносить данные и коммуникации посредством волоконно-оптических кабелей, но данные необходимо конвертировать из света обратно в электричество до начала обработки на компьютере.
Цель, пока еще далекая от достижения, - сверхбыстрый компьютер с оптическими интегральными схемами или чипами, который работает на свете вместо электричества. "Можно будет решить некоторые проблемы, которые невозможно решить сейчас", - говорит Бартл. - С некоторыми проблемами оптический компьютер может справиться за несколько секунд, в то время как обычному компьютеру потребуются годы."
Исследователи также ведут поиск совершенных фотонных кристаллов для того, чтобы усиливать излучение и, таким образом, делать фотоэлементы более эффективными, захватывать излучение, которое катализировало б химические реакции, и генерировать крошечные лазерные лучи, которые служили б в качестве источников излучения для оптических чипов.
"Фотонные кристаллы - это новый тип оптических материалов, которые манипулируют излучением не классическими способами", - говорит Бартл. Некоторые цвета излучения могут проходить через фотонный кристалл на разных скоростях, тогда как волны других длин отражаются, так как кристалл действует как зеркало.
Бартл говорит, что существует много предположений о том, как можно манипулировать излучением и по-новому его контролировать фотонными кристаллами, "однако у нас все еще отсутствуют соответствующие материалы, которые позволили б нам создать совершенные фотонные кристаллы для манипулирования излучением. Подобный материал не существует в искусственном или синтетическом виде".
Совершенный фотонный кристалл, прозванный "первоклассным" кристаллом, был описан учеными в 1990 году. Они показали, что оптимальный фотонный кристалл - это такой, который может наиболее эффективно манипулировать излучением, имел бы такую же самую кристаллическую структуру, что и решетка атомов углерода в алмазе. Алмазы нельзя использовать в качестве фотонных кристаллов, потому что их атомы расположены слишком близко друг к другу для того, чтобы манипулировать видимым светом.
Сделанная из соответствующего материала алмазоподобная структура создает крупную "фотонную запрещенную зону", это означает, что кристаллическая структура препятствует распространению излучения волн определенной длины. Материалы с такими запрещенными зонами необходимы, если исследователи собираются создать оптические схемы, которые могут манипулировать видимым излучением.
На стезе жука: от Университета Бригхама Юнга до Бельгии и Бразилии.
Исследование берет свое начало в научном проекте Ричи на тему иризации в биологии, когда она еще училась в средней школе г. Спрингвил, штат Юта. Группа Гарднера из Университета Бригхама Юнга помогала ей, и в то же самое время Галуша использовал там электронный микроскоп и узнал о проекте Ричи. Ричи хотела изучить радужного жука, но у нее не было совершенного экземпляра. Поэтому исследователи заказали у бельгийского торговца насекомыми бразильского жука Lamprocyphus augustus. По словам Бартла, блестящий сверкающий зеленый цвет жука достигается кристаллической структурой его чешуек, а не каким-либо пигментом. Чешуйки сделаны из хитина, из которого образуется внешний скелет, или экзоскелет, большинства насекомых, и по своей структуре этот материал напоминает ноготь. Эти чешуйки прикреплены к экзоскелету жука. Размер каждой - 200 микрон (миллионных долей метра) в длину и 100 микрон в ширину. Человеческий волосок примерно 100 микрон в ширину.
Зеленое излучение, которое имеет длину волны около 500-550 нанометров, или миллиардных долей метра, не может проникнуть в кристаллическую структуру чешуек, которые действую как зеркала, отражающие зеленое излучение и, таким образом, создающие переливчатый зеленый цвет жука.
По словам Бартла, жук представлял интерес, потому что он переливался независимо от угла, под которым на него смотрели, в отличие от большинства переливчатых объектов, и потому что предварительное изучение на электронном микроскопе показало, что его чешуйки не имели структуру, типичную для искусственных фотонных кристаллов. "Цвет и структура выглядели интересно", - говорит Бартл. - Вопрос был следующий: что это за трехмерная структура, которая наделяет этими уникальными оптическими свойствами?"
Исследование команды штата Юта впервые показало, что "подобно тому, как атомы расположены в алмазных кристаллах, такой же является структура хитина чешуек жука", - говорит он. Галуша установил 3-D структуру чешуек, используя растровый электронный микроскоп. Он сделал поперечный разрез чешуйки и затем сделал ее снимок на электронном микроскопе. Затем он применил фокусированную ионно-лучевую обработку (что-то наподобие миниатюрной пескодувки, которая стреляет лучами ионов галлия), чтобы срезать наружную поверхность чешуйки, и после этого сделал еще один снимок, и делал так до тех пор, пока у него не было в наличии снимков 150 поперечных разрезов одной и той же чешуйки.
Затем исследователи загрузили снимки на компьютер и определили кристаллическую структуру материала чешуйки: алмазоподобная или "первоклассная" организация, но только элементы ее структуры - хитин и воздух, вместо атомов углерода. На следующем этапе Галуша и Бартл использовали оптические исследования и теорию, чтобы спрогнозировать оптические свойства структуры чешуек. Прогноз совпал с реальностью: иризация зеленого.
Многие переливчатые объекты кажутся таким, только если на них смотреть под определенным углом, но жук иризирует под любым углом. По словам Бартла, то, как жук это делает, является "гениальным инженерно-техническим приемом", который приближается к технологии управления распространением видимого излучения.
Взятая в отдельности чешуйка жука не является сплошным кристаллом, а включает в себя около 200 кусочков хитина, каждый из них с алмазоподобной кристаллической структурой, но для каждого характерно различное направление. Таким образом, каждый кусочек отражает несколько иную длину волны или оттенок зеленого. "Каждый кусочек слишком мал, чтоб видеть его в отдельности невооруженным глазом, поэтому то, что вы видите - целостный эффект", и зеленый цвет жука под любым углом, объясняет Бартл. Ученые не знают, как жук использует этот цвет, но "так как это неестественный зеленый цвет, то он навряд ли служит камуфляжем", - говорит Бартл. - Возможно для того, чтоб привлекать пару."
