A fotonikus kristályokban sűrű és kevésbé sűrű rétegek ismétlődnek, amelyek ezért a különböző hullámhosszúságú fényt különböző szögekben verik vissza, ami irizálódást eredményez. Nagyon sok alkalmazási terület igényel fotonikus kristályokat, amelyeket jellemzően mesterségesen állítunk elő – a kutatók célja most azonban a kristályok természetes képződésének a megértése volt.

A tudósok felfedezték, hogy a római üveg egy természetben előforduló fotonikus kristály, amelynek mikrostruktúrája nanométer vastagságú szilícium-dioxid rétegekből áll, amelyek Bragg-halmazként vannak elrendezve. Évszázadokon keresztül az eső és az agyag által befolyásolt eróziós és újjáépülési ciklusok hozzájárultak az üveg irizáló patinájához, hihetetlenül elrendezett kristályos anyagokat hozva létre.

Két évezreden át rejtette az anyaföld azt római üveget, amely különös átalakuláson ment keresztül: egyedi kristállyá alakult, amely “játszik” a fénnyel. Ezt az ősi üveget egykor kifejezetten hétköznapi célokra használták: víz- és boroskannák építőeleme volt, azonban idővel irizáló színek, például arany, kék, zöld és narancssárga, elbűvölő patinája jelent meg rajta.

Kérdés, hogy miért: mint azt a kutatók felfedezték, a római üveg alapvetően egy mesterséges tárgyból természetes úton kialakult fotonikus kristály, amelynek a kristályszerkezete felelős az üveg említett opálos fényéért. Az erről szóló eredményeket a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban tették közzé – számol be róla a Live Science.

Mint a BME honlapján olvasható ezen kristályok kapcsán:

“Fotonikus kristályoknak nevezzük hagyományosan azokat a szerkezeteket, amelyek térben periodikus törésmutatóval rendelkeznek, és az őket alkotó anyagok törésmutatója elégséges mértékben eltér egymástól (törésmutató kontraszt). Bizonyos esetben – a szilárdtestfizikában megszokott kristályos anyagokhoz hasonlóan – ezek a szerkezetek rendelkeznek tiltott sávval, csak elektronok helyett fotonok számára. A fotonok terjedése a szerkezetet alkotó anyagok és a geometria módosításával szabadon finomhangolható akár három dimenzióban is.

Ez a tulajdonság számos lehetséges alkalmazási lehetőséget hordoz magában, melyek hagyományos anyagokkal nem valósíthatóak meg. A kutatások során fölmerült ötletek közé tartozik például a tisztán foton alapú processzorok is.”

Először szereltek fénnyel működő processzort egy szuperszámítógépbe A francia Jean Zay szuperszámítógép fotonikus segédprocesszora a számítástechnika legújabb korszakának az előfutára lehet.

A kristályokon belül minden egyes réteg a különböző hullámhosszúságú fényt veri vissza különböző szögekben, ami különböző szögekből nézve irizáló hatást eredményez. A természetben is fordulnak elő fotonikus kristályok, ilyenek például az opálok, a kék morfolepkék élénk szárnyai és bizonyos növények, például a kéklevelű begónia.

Míg az emberek különféle alkalmazásokhoz képesek fotonikus kristályokat létrehozni, ennek a tanulmánynak az volt a célja, hogy megértse a természetes képződési folyamatukat – ezért került tehát sor az olaszországi Aquileia közelében talált üveg analízisére, amely a Kr. e. első századból származik.

Optikai és pásztázó elektronmikroszkóp alatt a kutatók megfigyelték, hogy az üveg szerkezete nanométer vastagságú szilícium-dioxid rétegekből áll, amelyek Bragg-halmazként ismert mintázatba rendeződtek. Ezekben a kötegekben váltakoznak a magas és alacsony törésmutatók, amely az üveget sajátos csillogással ruházza fel.

Az irizáló patina az erózió és az ezt követő rekonstrukció (szerkezeti újjáépülés) ismételt ciklusainak az eredménye. Az eső és az agyag szerepet játszott az üvegben található szilícium-dioxid egy részének a lebontásában, de ez az az agyagban jelenlévő ásványokkal együtt újjáépült. Ezenkívül 100 nanométer vastag szilícium-dioxid- és ásványi rétegek körkörösen álltak össze, ami több száz kristályréteg hihetetlenül strukturált elrendezéséhez vezetett.

Mindezzel nem csak a római üveg izgalmas “utóéletéről” tudtunk meg többet, de a nagy kérdés, hogy a fentebb említett folyamat felgyorsítható-e, ami potenciálisan lehetővé teszi a fotonikus kristályok ellenőrzött módon történő növekedését, új lehetőségeket kínálva az olyan területeken, mint az optika, az érzékelők és a fényáramkörök fejlesztése.

(A cikkhez használt kép illusztráció, forrása: Pixabay/kalhh)