Optikai számítógép egy bogár segítségével

A természet siethet az ideális fotonikus kristály megalkotásán fáradozó kutatók segítségére. A jövő optikai számítógépeiben a látható fény manipulálását végző gyémántszerű kristályszerkezet készen megtalálható egy Brazíliában honos csillogó zöld páncéllal rendelkező bogáron.

"Úgy tűnik egy egyszerű teremtmény, mint ez a bogár vezethet el minket a műszakilag egyik legáhítottabb szerkezethez, amivel megalapozhatnánk a számítástechnika következő generációját" - nyilatkozta a tanulmányt jegyző Michael Bartl, az amerikai Utah Egyetem kémikusa. "A természet olyan egyszerűen elő tud állítani anyagokat és szerkezeteket, melyeket mi a több millió dolláros berendezéseinkkel és műszaki stratégiáinkkal képtelenek vagyunk kivitelezni" - tette hozzá.

Bartl munkáját a Lamprocyphus augustus nevű ormányosbogárról és különleges páncéljáról a Physical Review szaklapban dokumentáltak. A páncél részecskéi maguk nem alkalmazhatók műszaki eszközökben, mivel kitinből állnak, ami nem elég stabil hosszú távú használatra, ezért Bartl munkatársával, Jeremy Galushaval egy szintetikus változat elkészítésén dolgozik, a páncél anyagát egyfajta öntőmintaként használva, melyből átlátszó félvezető felhasználásával készítenek kristályokat.

A fotonikus kristályoknak fontos szerepük lesz az ultra nagy sebességű számítógépekben, melyek elektromosság helyett optikai integrált áramkörökön átfutó fényt használnak majd. "Olyan problémák megoldására nyílhat lehetőség, melyek ma megoldhatatlanok. Bizonyos problémákon, amin egy hagyományos gép évekig dolgozna, egy optikai számítógéppel mindössze néhány másodperc alatt túljuthatnánk" - magyarázta Bartl.

A fotonikus kristályok bizonyos hullámhosszúságú fénnyel szemben hasonlóan viselkednek, mint a félvezetők a "tiltott sávjukba" eső energiájú elektronokkal szemben. A kristályszerkezet meggátolja a fény terjedését egy bizonyos hullámhossz tartományban, azaz a tiltott sávba eső energiájú foton nem képes terjedni a szerkezetben, tökéletesen visszaverődik róla

Az ideális fotonikus kristály architektúrát, amit "bajnok" architektúraként is emlegetnek, 1990-ben vázolták fel a tudósok. Elvileg az optimális fotonikus kristály ugyanazzal a kristályszerkezettel rendelkezik, mint a gyémántban található szénatom rács. A gyémánt azért esett ki a lehetőségek közül, mert atomjai túl szorosan illeszkednek egymáshoz a látható fény manipulálásához. Viszont ha a megfelelő anyagból sikerülne egy gyémántszerű szerkezetet megalkotni, azzal egy hatalmas fotonikus tiltott sávhoz jutnak, ami elengedhetetlen a látható fény manipulálására alkalmas optikai áramkörök megkonstruálásához.


A páncél mikroszkóp alatt
Bartl elmondása szerint a bogár azért keltette fel az érdeklődésüket, mert akármilyen szögből nézték, páncélja irizáló maradt, ami koránt sem jellemző az irizáló objektumokra. Az előzetes elektron mikroszkópos vizsgálatok kimutatták, hogy a páncél anyaga nem a jellegzetes mesterséges fotonikus kristályok szerkezetét tükrözi vissza. "A szín és a szerkezet egyaránt érdekesnek tűnt. A kérdés az volt, mi az a háromdimenziós szerkezet, ami ezeket az egyedülálló optikai tulajdonságokat létrehozza?" - mondta Bartl.

Egy pásztázó elektron mikroszkóppal megállapították, hogy a bogár páncél anyagának kristályszerkezete egy gyémántszerű architektúra. Ezután optikai vizsgálatokat végeztek a szerkezet optikai tulajdonságainak meghatározásához. Ez pontosan azt az eredményt hozta, ami szemmel is látható, irizáló zöld, azaz a kristályszerkezet csak a zöld fényt veri vissza.

Mint fentebb említettük számos irizáló objektum csak akkor válik láthatóvá, ha adott szögekből nézzük, a bogár azonban minden szögből színjátszó maradt. Ez annak köszönhető, hogy a páncélt alkotó pikkelyszerű részecskék mindegyike rendelkezik a gyémántszerű kristályszerkezettel, ezek pedig mind más-más irányba igazodnak, ezért minden részecske egy kicsit más hullámhosszt ver vissza. A részecskék túl aprók, hogy szabad szemmel egyenként észleljük azokat, így egy összetett, kompozit hatást érnek el, mellyel a bogár minden szögből ugyanolyan ragyogó zöldnek látszik. Bartl szerint pontosan erre a tulajdonságra van szükség az ideális fotonikus kristályhoz is.