Любители камня высоко ценят очаровательный, ярко опалесцирующий минерал – благородный опал. Наилучшие опалы, представленные в минералогических музеях и частных коллекциях, имеют австралийское происхождение. Именно они стали первыми объектами электронно-зондовых исследований, доказавших, что этот минерал характеризуется трёхмерной структурой, состоящей из плотно упакованных слоями сфер аморфного диоксида кремния (SiO2). Детальное изучение различных благородных опалов комплексом физических методов показало, что шарики кремнезема имеют почти одинаковый размер, плотно упакованы в правильном порядке и контактируют между собой, а промежутки между ними заполнены воздухом, водяным паром или водой. По существу структура благородного опала представляет собой трехмерную дифракционную решетку, что и определяет выдающиеся оптические свойства минерала. При этом существенно, что диаметр микросфер SiO2 благородного опала колеблется в пределах от 0,15 до 0,3 мкм. Опалы, составленные из сфер других размеров, не могут опалесцировать в широком интервале спектра и лишены игры ярких цветовых оттенков.
Фото природного опала: http://www.24open.ru/VANIK4398794/blog/2752041/comments
В конце семидесятых годов прошлого века технологи научились выращивать в коммерческих масштабах синтетические опалы на кремнеземной основе, визуально почти неотличимые от природных. Сначала эти рукотворные опалы стали использоваться ювелирами, а затем попали в руки ученых-физиков. Вот тут-то и выяснилось, что красавец опал оказался перспективным фотонным кристаллом (ФК). (ФК – объект, имеющий структуру с периодической модуляцией диэлектрической проницаемости в масштабе, сравнимом с длиной волны электромагнитных волн, в которых брэгговская дифракция приводит к возникновению отдельных зон частотного спектра, запрещенных для распространения электромагнитного излучения).
Оказалось, однако, что практический интерес представляют не сами синтетические опалы, а структуры, в которых поры опала заполнены оксидом ванадия или другим подходящим веществом. Такие структуры могут, к примеру, управлять световыми потоками и лежат в основе электрооптических модуляторов и переключателей. Изучение свойств такого синтетического опала позволяет получать на его основе более сложные структуры с заданными свойствами.
Недавно учёные из Физтеха им. А.Ф. Иоффе предложили новый метод изучения свойств синтетического опала. Работа, выполненная при поддержке РФФИ и правительства Санкт-Петербурга, опубликована в журнале «Физика твёрдого тела».
В своей работе исследователи использовали дифракционный метод, который позволил им получать геометрическую информацию о рассеянии света на синтетическом опале. Объектами изучения стали опаловые плёнки с шестью ростовыми слоями. Пучок света, сформированный с помощью линзы и диафрагмы, направлялся на исследуемый объект. Картины, которые появлялись на экране вокруг образца, фотографировались камерой Olympus. Эти картины дифракции изучались визуально и регистрировались в различных геометриях рассеяния при освещении пленок опалов неполяризованным светом. При освещении объекта пучком белого света вдоль оси, перпендикулярной поверхности пленки, картина дифракции характеризуется симметрией С6 и состоит шести интенсивных рефлексов, симметрично расположенных относительно падающего пучка (см. рисунок).
Новизна примененной методики заключалась в том, что образцы вращались, а в качестве экрана, на котором формировалось изображение, использовали не плоскость, а цилиндр. Общая картина после объединения 200 снимков содержала достаточную полную информацию о структуре и свойствах синтетического опала.
В результате экспериментального исследования спектральных и угловых зависимостей дифракционных картин была установлена достаточно полная картина трансформации дифракционных рефлексов при изменении угла падения света на пленку опала. Впечатляющее совпадение экспериментальных и расчетных данных однозначно указывает на двумерный характер дифракции света на тонких опаловых пленках.
П.Л. Смолянский, Отдел перспективного развития, ИВЦ ВСЕГЕИ
Источник информации: А.К. Самусев, К.Б. Самусев, М.В. Рыбин, М.Ф. Лимонов и др. «Двумерная дифракция света на тонких опаловых плёнках». Физика твёрдого тела 2011. Т.53. Вып.5. С.993-998.
