Любой, мало-мальски знакомый с электроникой человек, знает, что современная электроника была бы невозможна, если бы не были открыты полупроводники: по сути, вся современная микроэлектронная промышленность построена на полупроводниках.
Но зададимся странным вопросом — а бывают ли «оптические» полупроводники?! Которые позволяли бы оперировать* светом, примерно так же (по логике), как это происходит у полупроводников, которые мы все хорошо знаем? ;-)
Занятно, что, как и в первом случае, с кремнием, природным химическим элементом, в создании такого удивительного материала — так же приложила свою «руку» природа…
* Под «оперированием» здесь понимается наличие природных свойств материала, сходных с природными свойствами полупроводников, а не возможность целенаправленного манипулирования светом, усилиями человека.
До того, как рассматривать любопытные образцы «природного творчества», немного углубимся в теорию…
Но, чтобы нам было проще, посмотрим на картинку в шапке статьи, на которой изображён природный драгоценный камень «опал», ценимый за свою неповторимую игру света.
Но почему он так «играет»? Дело в том, что опал представляет собой образец природного «фотонног�� кристалла», — настоящего полупроводника для света!
Что под этим понимается: мы знаем, что свет, с точки зрения физики, является и частицей, и волной. В контексте дальнейшего рассмотрения, для нас наиболее важен будет второй аспект (волна).
Итак волна…Волновой колебательный процесс представляет некий участок синусоиды, имеющий, среди прочих, такую характеристику, как период (на рисунке обозначен цифрой (4), то есть, отрезок времени, в течение которого происходит одно полное колебание:
При столкновении с другими объектами (пока не будем уточнять, какими именно и в каких условиях, нам нужна такая утрированная картина, для простоты понимания) — волна может отражаться от них, и, в результате, изначальная волна и отражённая волна могут складываться — это называется «интерференция».
Для ещё одного упрощения, возьмём за данность, что изначальная и отражённая волна имеет одну и ту же длину.
При этом, такое сложение может происходить как минимум двумя разными способами:
когда пики синусоид складываются — это называется «конструктивная интерференция», при этом, амплитуда волны (читай «яркость») возрастает;
когда пики синусоид одной волны и провалы другой волны складываются — такой вариант называется «деструктивная интерференция» и, при этом, яркость (т.е. амплитуда волн) может упасть вплоть до нуля (происходит взаимное обнуление), в зависимости от того, насколько точно совместился пик одной волны и провал другой волны.
На этом, сложности не кончились: вещество тоже может быть разным — прозрачным, непрозрачным...
Как, упрощённо, работает механизм взаимодействия вещества и света: световая волна входит в вещество, и, так как свет — это электромагнитная волна, это волна воздействует на электроны вещества в атомах — грубо говоря, раскачивает их, наподобие того, как бумажный кораблик качался бы на волнах, — так и синусоида световой волны, с определённой периодичностью «ударяет» по электронам, заставляя их раскачиваться при движении по своей орбите.
Согласно науке, электрон, движущийся на около световых скоростях, если начинает колебания — то он начинает излучать сам электромагнитную волну — то бишь, свет!
Другими словами, он превращается в маленький фонарик, вынужденно излучающий свет, из-за того, что мы его толкаем, — раз за разом, волна за волной!
Из этого факта, если немного отвлечься, проистекает одно очень любопытное и занятное следствие: электрон, как и любой заряд имеет вокруг себя электромагнитное поле.
Другими словами, если нечто, что имеет магнитное/электромагнитное поле — быстро двигать (колебать, вращать, и т.д и т.п.), то, это «нечто» — будет излучать электромагнитные волны, такой длины, с какой частотой его колеблют!
Если сказать проще: если умозрительно, допустим, взять магнит, достаточно быстро его трясти, то, в результате этого, магнит станет излучать электромагнитные волны, определённой длины, зависящей от того, насколько быстро вы его трясёте! :-)
Понятно, что это будет достаточно неэффективно, но, в теории, таким образом можно получить даже излучение радиоволн — обычным магнитом! О_о
Хмм... «Излучать радиоволны — магнитом»... Согласитесь, это было бы занятно? :-)
Например, взять маленький магнитик и колебать его с помощью пьезоизлучателя, с частотой, в килогерцы или даже мегагерцы.
В теории, в результате этого, можно зафиксировать излучение радиоволн!
Вот такая странная история. Однако продолжим...
Итак, выше мы увидели, что световая волна, входящая в вещество, колеблет электроны в атомах, где, при этом, наблюдается разная степень «способности к расшатыванию» (поляризуемости атома) — у электронов разных веществ, назовём её так: электроны одних объектов легко реагируют на воздействие и легко «расшатываются», а, у других, «расшатываются» относительно тяжело.
В первом варианте — подобный раскачивающийся электрон начинает излучать свет, с той же фазой, что и «ударившая» по нему волна — в итоге, вперёд, в толще вещества, движется масса волн, как изначальная, так и производные, преимущественно, взаимодействую��ие друг с другом по модели конструктивной интерференции (которую мы рассмотрели выше) — в итоге, вещество прозрачно!
Во втором варианте, в зависимости от того, насколько тяжело раскачать электрон, — излучаемая им волна начинает не совпадать по фазе, с изначальной волной, из-за вот этого его запаздывания, в виду инертности (то есть, нужно время, чтобы электрон воспринял «ударившую» по нему волну и «с трудом, но начал-таки движение»).
В зависимости от того, насколько сильно запаздывает электрон в излучении световой волны — в такой степени, его волна начинает работать в противофазе, с изначальной волной.
Другими словами — начинает наблюдаться деструктивная интерференция, которую мы рассматривали выше.
И, в итоге, в зависимости от величины запаздывания, наблюдается интересная картина — вещество становится всё более и более непрозрачным*, вплоть до того, что становится полностью отражающим, то есть, зеркальным! О_о
Откуда берётся зеркальность: так как электрон является точечным источником света, то, он излучает свет во все стороны наподобие шарика, где, при этом, часть волны уходит в глубь вещества и полностью гасится, а часть, отправляется в обратную сторону — в сторону источника света (и глаза наблюдателя).
Так как это всё происходит на поверхности, фактически, мы наблюдаем отражённую волну, а вещество для нас выглядит зеркальным!
*По поводу непрозрачности тут надо ещё упомянуть такой интересный момент — следовало бы предположить, что любая работа по раскачиванию электрона требует определенной энергии и это так: относительно слабые раскачивания позволяют излучать свет, и, в то же время, излишне сильные колебания, уже переводят поступившую энергию не в излучение световой волны (более яркой, как следовало бы ожидать), а в тепло, нагревая вещество — таким образом, вещество для этой длины волны является непрозрачным, и нагревается (т.е. поглощает энергию поступившей волны).
Теперь, после ознакомления со всей этой картиной, нам, стало понятно, как это примерно происходит на «самом низком уровне».
Однако, любопытно то, что примерно аналогичные явления могут происходить не только на таком низком уровне, но и, на относительно макроуровне!
Причём, даже с искусственно созданными структурами!
Для этого, определённые структуры, подобно атомам, но, уже относительно большого размера, должны находиться в веществе, выстроенные на расстояниях друг от друга, таких же, какой имеет период (см. картинку выше, в самом начале статьи, что такое период) целевой длины волны!
И тогда, примерно аналогичные явления можно получить, даже с упорядоченными структурами макроуровня, где каждый элемент превосходит по размерам атомы, не говоря уже об электронах!
Именно такая картина и наблюдается в приведённом в самом начале статьи драгоценном камне «опал»: он на самом деле представляет собой трёхмерную сборку из микрошариков, размером до 400 нанометров или несколько меньше, состоящих из аморфного диоксида кремния!
При этом шарики сложены один друг на друга, наподобие того, как яблоки выкладывают на прилавок, в виде горки, а расстояние между шариками примерно равно периоду волны для видимого света.
Пространство между шариками заполнено либо водой либо воздухом и, такая структура обладает интересными свойствами: в зависимости от угла обзора, она переливается разными цветами, во всём объёме, — наподобие того, как это происходит на поверхности компакт-дисков, или, радужных капель бензина на поверхности луж — только, в отличие от этих примеров, здесь наблюдается разложение на спектр не в плёнках, а во всём объёме, где, от угла падения света зависит, какой из компонентов света будет усилен и возвращён наблюдателю, а какие пройдут сквозь структуру.
Таким образом, опал представляет собой природную «высокотехнологичную» трёхмерную дифракционную решётку, которая, своеобразным образом, усиливает и возвращает определённые длины волн, в зависимости от угла — остальные пропускает или рассеивает, то есть, условно говоря, такую структуру можно назвать своеобразным «полупроводником», который срабатывает в зависимости от угла.
Кстати говоря, а почему «фотонный кристалл»?
Вы, наверное, уже догадались: это потому, что для своего функционирования, этот объект требует определённых структур, выстроенных с определённым периодом, согласованным с длиной волны.
Трёхмерное построение фотонного кристалла не обязательно: существуют и одномерные (многослойные плёнки с разным коэффициентом преломления, где каждая плёнка имеет толщину в четверть световой волны), а также двухмерные структуры (выглядят как шахматная доска на плоскости), с чередованием элементов.
Принцип фотонного кристалла может применяться во множестве направлений, начиная от лазеров, для создания их резонаторов, и оптических схем, с мультиплексорами, предназначенными для разделения сигналов, до антенной техники и радужных красок для банкнот.
При желании, принцип может быть воспроизведён даже самостоятельно, используя микрошарики в связующем, — таким образом, получают, например, переливающиеся радужными цветами лакокрасочные покрытия, где связующее не должно сохнуть достаточно быстро, чтобы шарики имели время выстроиться в упорядоченную структуру…
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
