Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 20 из 24

Глава 5. Вопросы для самопроверки

1. 
   Что называется аллотропической формой углеродных наноструктур?
   
2. 
   Какие аллотропические формы углеродных наноструктур Вы знаете?
   
3. 
   Какими способами получают углеродные наноструктуры?
   
4. 
   Какие механические свойства углеродных наноструктур Вам известны?
   
5. 
   Какие химические свойства углеродных нанотрубок Вам известны?
   
6. 
   Какие электрические свойства углеродных нанотрубок Вам известны?
   
7. 
   Какие способы применения углеродных нанотрубок вы знаете?
   

Глава 6. Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки. Сверхрешетки

В кристаллах атомы расположены периодически по трем направлениям и образуют кристаллическую решетку. В современной физике и технике успешно используются так называемые сверхрешетки (crystal superlattic). Это твердые тела с периодическим чередованием областей, в которых какая-либо физическая величина, характеризующая свойства тела (магнитные свойства, электрические, упругость и т. д.), имеет разные значения. При этом размеры таких областей и расстояния между ними на несколько порядков больше межатомных расстояний. Еще в 1962 году академик Л.В. Келдыш теоретически рассмотрел сверхрешетку и особенности ее зонной структуры.

Периодическая по одной оси (т. е. слоистая структура) называется одномерной (1D, от англ. dimension – размерность) сверхрешеткой. Так, слоистая структура представляет собой 1D магнитную сверхрешетку: чередующиеся слои отличаются магнитными свойствами.

Пример двумерной (2D) сверхрешетки – это система квантовых ям, разделенных барьерными слоями с туннельным типом проводимости, на поверхности полупроводника. В этих поверхностных структурах периодически, по двум направлениям, изменяются электрические свойства.

В трехмерной (3D) сверхрешетке по трем направлениям периодически повторяются одинаковые по размеру области с различными физическими свойствами.

Дифракция на одномерной, двумерной, трехмерной сверхрешетке. Зонная теория

Термин «фотонный кристалл» (photonic crystal) появился в 80-х годах ХХ века. Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки, в них периодически изменяется коэффициент преломления электромагнитных волн.

В школьном курсе физики (11 класс) рассматривается дифракционная решетка и условия интерференции света на ней. Решетка состоит из чередования абсолютно непрозрачных и абсолютно прозрачных областей. Эффект дифракции можно также получить за счет периодического чередования областей с разным коэффициентом преломления n (рис. 6.1 а). В этом случае появляются дополнительные возможности управления условиями интерференции, за счет изменения величины n.



Рис. 6.1. Фотонные кристаллы: а) общие модели фотонных кристаллов [2];



Рис. 6.1. Фотонные кристаллы: б) 1D-, 2D-, 3D-фотонные кристаллы [3];

Дифракция наблюдается на периодической решетке, если длина волны падающего электромагнитного излучения λ сопоставима с периодом решетки. Например, в обычном кристалле явление дифракции наблюдается для рентгеновских лучей, длина волны которых порядка расстояний между атомами, но не наблюдается в видимом диапазоне электромагнитных колебаний.

Однако можно на базе твердого тела, кристаллического или аморфного, искусственно создать дифракционную решетку с периодом, сравнимым с длиной волны в видимом диапазоне или инфракрасной области. Для этого в твердом теле нужно получить периодически повторяющиеся области с разным коэффициентом преломления, т. е. оптическую сверхрешетку или фотонный кристалл (рис. 6.1).

Расстояния между объектами, образующими фотонный кристалл, на порядки превышают расстояния между атомами основной среды (для оптического диапазона – в 1000 раз). Фотонные решетки, как все наноструктуры, заполняют область между атомными кристаллическими решетками и макроскопическими искусственными периодическими структурами.

Заметим, что системы с модуляцией коэффициента преломления использовались и раньше в просветленной оптике, диэлектрических зеркалах, лазерах и пр.

Периодическое изменение коэффициента преломления может быть создано в одном измерении, двух или трех измерениях – мы получим так называемые 1D-, 2D-, 3D-фотонные кристаллы (рис. 6.1 б). Фактически это одномерные, двумерные и трехмерные дифракционные решетки.

Дифракционная решетка, изображенная на страницах школьного учебника, соответствует одномерному фотонному кристаллу (1D-структуре). 1D-структурой является и конструкция из тонких параллельных слоев двух материалов с разными оптическими свойствами (рис. 6.1 б), при этом толщина слоев должна быть порядка длины волны интересующего нас электромагнитного излучения, а площадь может иметь вполне макроскопические размеры.

Условия максимума интерференции для двумерной дифракционной решетки (2D-структуры), по сравнению с одномерной, естественно усложняются. Вместо чередования светлых и темных линий на экране, параллельном плоскости решетки, получается система светлых точек.

Самый интересный случай – трехмерная дифракционная решетка (3D-структура). Условия максимума интерференции настолько усложняются, что для данной длины волны они могут не выполниться ни для одного направления в пространстве. В такой решетке волны с некоторыми длинами волн распространяться вообще не могут. Так появляется представление о «фотонной запрещенной зоне». Ситуация аналогична запрещенной энергетической зоне для электронов в зонной теории твердых тел. Понятие запрещенной зоны для электромагнитных волн (photonic band gap) ввел в 1987 году Э. Яблонович.

Физическая природа возникновения запрещенных зон для электронов и фотонов одна и та же – это условия распространения волн в среде с периодически изменяющимися свойствами. Волновая природа электрона ставит его «на одну доску» с электромагнитным излучением.

По аналогии с классической зонной теорией фотонные кристаллы делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Фотонные проводники для видимого света обладают широкими разрешенными зонами, в них свет на больших расстояниях почти не поглощается. У фотонных изоляторов широкие запрещенные зоны, у фотонного полупроводника они более узкие. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых световая энергия поглощается и переходит в тепловую, фотонные изоляторы не поглощают свет, он просто в них не может распространяться.

В запрещенной зоне фотонных кристаллов можно создавать энергетические уровни, аналогичные донорным и акцепторным уровням для классических полупроводников. Такой примесной проводимости соответствуют, например, пустоты на месте некоторых элементов фотонного кристалла, их объединение в нитевидные полости или заполнение отдельных элементов веществом с другим значением показателя преломления (локальное изменение коэффициента преломления). Нитевидные полости являются идеальными проводниками света при любой их форме и извилистости. Свет идет по ним, как ток по проводу любой скрученности.

Оптоэлектроника, возможности оптического компьютера

В современной оптоэлектронике электронные и фотонные разрешенные и запрещенные зоны приходится рассматривать совместно: например, электрон и дырка не могут рекомбинировать с выделением фотона, если энергия их рекомбинации (энергия фотона) попадает в запрещенную фотонную зону. В этом случае время жизни возбужденного атома может быть увеличено во много раз.

Исторически теория дифракции на трехмерных решетках начала интенсивно развиваться c 1912 года, когда в качестве трехмерной решетки был взят кристалл, а длина волны в диапазоне 0,01-1 нм соответствовала рентгеновскому диапазону электромагнитной шкалы. В 1915 году отец и сын Брэгги (Генри и Лоуренс Брэгг) получили Нобелевскую премию за развитие метода рентгеноструктурного анализа кристаллов. Заметим, что именно в лаборатории Лоуренса Брэгга были впоследствии расшифрованы структуры гемоглобина и миоглобина и структура ДНК (Нобелевские премии 1962 года М. Перутца – Д. Кендрю и Д. Уотсона – Ф. Крика).

Со свойственной истинному ученому скромностью Л. Брэгг писал, что он впервые сформулировал условия дифракции в такой форме, когда только еще начинал свою работу в этой области и оно стало известно под именем закона Брэгга; однако он всегда понимал, что слава пришла к нему слишком легко, поскольку этот принцип был хорошо известен еще раньше в оптике видимого света.

Теперь, спустя почти 100 лет, оптоэлектроника, изучая и создавая искусственные фотонные кристаллы, в свою очередь, использует результаты и достижения рентгеноструктурного анализа. Одновременно оптоэлектроника использует представления классической зонной теории для электронов.

В последние 10-15 лет число научных работ и проектов по фотонным кристаллам резко увеличилось, в основном из-за больших технических возможностей этих структур. Повышенный интерес к фотонным кристаллам и устройствам на их основе проявляют ведущие предприятия высоких технологий и военно-промышленный комплекс. Ситуацию сравнивают с периодом бурного развития в 1960-х годах интегральной микроэлектроники, так как появилась возможность создания оптических микросхем по аналогии со схемами микроэлектроники. Открылась возможность принципиально новых способов хранения, передачи и обработки информации на базе материалов нового типа, определены пути реализации оптических компьютеров с тактовыми частотами порядка 1 ТГц (10¹² Гц). Предполагается создание лазеров нового типа с низким порогом генерации.

Получение фотонных кристаллов

Создание трехмерных фотонных кристаллов (именно они должны привести к принципиальным изменениям в технике) является достаточно сложной задачей. Запрещенная, или стоп-зона (stop-band), может оказаться «неполной»: по некоторым направлениям электромагнитные волны данной частоты все же смогут распространяться. Между тем наиболее перспективные технические приложения связаны именно с существованием полной фотонной запрещенной зоны. Чтобы добиться нужного эффекта, меняют соотношение коэффициентов преломления n1 и n2 периодических областей, составляющих фотонный кристалл, их размер и форму, геометрическое расположение в пространстве.

Наибольший технический интерес представляют возможности создания сверхрешеток для видимого диапазона волн, а также инфракрасной и ультрафиолетовой областей (инфракрасная область с длиной волны λ = 1,5 мкм используется в телекоммуникационной технике). Однако для этого нужно, чтобы периодически повторяющиеся области сверхрешетки имели размеры порядка микрона и находились строго на одинаковом расстоянии друг от друга, что составляет большие технические трудности. Кроме того необходима достаточно большая разница в значениях коэффициента преломления для матрицы и областей сверхрешетки.

Первую искусственную сверхрешетку для миллиметрового диапазона электромагнитных волн создал в 1989 году Э. Яблонович. Это был просто стержень из диэлектрика с показателем преломления n = 3,6, в котором на расстояниях порядка 1 мм были просверлены под определенными углами каналы диаметром 1 мм. Пересечение каналов создавало периодически повторяющиеся полости. Этот классический объект являлся фотонным кристаллом для миллиметрового диапазона электромагнитных волн и получил название «яблоновит» в честь Э. Яблоновича. Было показано, что для создания полной запрещенной зоны структура фотонного кристалла должна соответствовать кубической гранецентрированной решетке, причем образующие ее «шарики» должны быть слегка «сплюснуты». Именно так выглядят отверстия на пересечении каналов в «яблоновите».

Во многих работах по созданию фотонных кристаллов моделью служит кластерная сверхрешетка опала.

Опал является примером природного, хотя и не вполне совершенного фотонного кристалла. В нем периодическую «решетку» образуют достаточно крупные по сравнению с атомами кластеры кремнезема SiO₂ (рис. 6.2 а). Крупные кластеры, размером в сотни нанометров, могут, в свою очередь, состоять из более мелких, диаметром в десятки нанометров. Шарики кремнезема погружены в гелеобразную массу, состоящую в основном из SiO₂. От названия опала произошел термин «опалесценция», или «опализация» – характерная игра света в одном из видов этого прекрасного камня, благородном опале.

а)	б)
Рис. 6.2. Модели кластерной решетки опала (темнозеленым цветом отмечен кремнезем) – (а) и получения реплики со структуры опала (инвертированная решетка опала) – (б) [1]

Матрица между сферами занимает существенную часть объема, порядка 25%, что хорошо видно на рис. 6.2. В опале значительно больше воды, чем в других минералах – от нескольких процентов и почти до 30%. Со временем камень может потерять воду и потускнеть. В редком виде опала – гидрофане (по староруссски «водосвете»), состарившемся и потерявшем воду благородном опале, при погружении в воду пустоты матрицы вновь заполняются водой, и камень становится полупрозрачным и опалезирующим.

Именно кластерная сверхрешетка опала служит моделью во многих работах по созданию искусственных фотонных кристаллов. Так, в 1996 году российские ученые разработали технологию получения оптически совершенных синтетических опалов на основе микроскопических сфер из двуокиси кремния с полостями между ними. Размер сфер можно было менять, варьируя тем самым период сверхрешетки и свойства фотонного кристалла. В одной из работ использовали принцип снятия реплики, т.е. отпечатка (инвертированная решетка опала): кремниевая реплика опала дает вместо микроскопических сфер пустоты такого же размера (рис. 6.2 б) в некоторой матрице. Внутреннюю полость пустот можно обрабатывать различными веществами, тем самым управляя коэффициентом преломления, а значит и свойствами фотонного кристалла.

В настоящее время предложен ряд способов самосборки системы сферических микрочастиц в плотноупакованный фотонный кристалл. Например, используется подъем кварцевых или полимерных микросфер, погруженных в жидкость, за счет капиллярных сил вверх по подложке, на которой на определенных расстояниях нанесены искусственные «канавки» (рис. 6.3 а). Затем жидкость испаряется, и сканирующий электронный микроскоп фиксирует наличие упорядоченной структуры (рис. 6.3 б), которая используется как реплика для получения структуры, где вместо шариков – сферические полости. Это типичный для нанотехнологии процесс «снизу-вверх».



Рис. 6.3. Самосборка кварцевых сферических частиц под действием капиллярных сил (а) и фотография поверхности упакованных микрочастиц, полученная на сканирующем электронном микроскопе (б)

Другие способы получения фотонных кристаллов основаны на развитом в микроэлектронике методе литографии и соответствуют процессу «сверху-вниз».

В одном случае с помощью трехмерной голографии в полимерном фоторезисте было создано трехмерное изображение будущего фотонного кристалла, затем травление удалило полимер везде, кроме мест интенсивного облучения, где он перешел в нерастворимую форму. В другом варианте удалось создать так называемую «дровяную поленницу» из кремниевых полосок.

Заметим, что чем выше частота используемого электромагнитного излучения (меньше длина волны), тем труднее создать трехмерный фотонный кристалл с широкой запрещенной зоной: меньше технических возможностей и для создания сверхрешетки с малым периодом и нужного сочетания коэффициентов n₁ и n₂. В атомных кристаллических решетках очень мала вариация n, по этой причине запрещенные зоны в рентгеновском спектре крайне узки и практически не играют роли.

Фотонные кристаллы должны иметь очень однородную структуру. Поэтому японские ученые планируют отработать их технологию в условиях невесомости на космической станции.

Применение фотонных кристаллов

По-видимому, раньше всего фотонные кристаллы получат широкое применение в качестве световодов.

Еще 30 лет назад не было сотовых телефонов, Internet и спутниковой связи. В наше время все точки Земли (и надземное пространство) связаны многочисленными каналами связи. Предсказывают, что в ближайшее время люди будут использовать небольшой по мощности и размеру карманный компьютер с гибким складным дисплеем на полимерной основе. Он будет дистанционно соединен с мощным компьютером, находящимся в другом месте и позволяющим, в свою очередь, подключаться к другим устройствам, например, телескопам коллективного пользования.

Для связи используются радиоволны различных частот, а в последние десятилетия стала быстро развиваться волоконная оптика, которая позволяет пропускать по одному волокну десятки тысяч различных потоков данных. Свет, по сравнению с электрическим током, имеет колоссальное преимущество. При передаче информации с помощью света не возбуждаются дополнительные электрические и магнитные поля (помехи), всегда сопутствующие электрическому току. В свою очередь, окружающие электромагнитные помехи (шум) не искажают оптический сигнал. Без ретрансляторов и усилителей сигнал проходит тысячи километров. Высокая частота колебаний позволяет передавать большой объем независимой информации.

Пропускная способность волокон фактически сдерживается только пропускной способностью электронных приборов на входе и выходе.

Принцип действия традиционных световодов – многократное полное внутреннее отражение света: внутренняя «жила» световода имеет больший показатель преломления, чем поверхностные слои.

В случае фотонных кристаллов передача энергии по световоду происходит по принципиально иному механизму. Световые волны не могут распространяться в поверхностных слоях световода (фотонного кристалла) за счет наличия в них запрещенной зоны. Вместе с тем, как упоминалось выше, полости или нерегулярности структуры фотонного кристалла делают его аналогом примесного полупроводника. Именно так формируются световедущие каналы внутри такого световода. Ситуация аналогична распространению электрического тока по полупроводнику с изолирующей обмоткой.

Важно, что такой механизм передачи энергии позволяет сгибать световод под любым углом, в то время как для обычного световода даже изгиб под прямым углом приводит к существенной потере энергии из-за нарушения условия полного внутреннего отражения. Чтобы согнуть классический световод под прямым углом, необходим радиус кривизны порядка 10 длин волн, световод на основе фотонного кристалла может быть согнут с радиусом закругления в полволны.

Для микроэлектроники этот геометрический фактор очень существенен, так как световоды в микросхемах надо многократно сгибать, укладывая их в небольшом объеме.

Применяемые волоконные световоды прозрачны только в узком диапазоне длин волн, в фотонном кристалле более широкий диапазон частот позволит увеличить поток независимой информации.

Обычно по оптическому волокну идет несколько световых сигналов (например, в телефонном кабеле), применение фотонных кристаллов позволит четко отделять нужную частоту от других, направляя каждый сигнал по разному пути.

Интерес к фотонным проводникам связан в частности с тем, что в них не выделяется тепло. Между тем тепловыделение – одно из главных препятствий на пути увеличения плотности интегральных схем и тактовой частоты.

Второй проблемой является взаимная самоиндукция, характерная для высокочастотных электронных устройств. Для потоков света эта проблема не возникает.

Эффективность передачи в уже созданных фотонных кристаллах типа «поленница» со световедущими каналами в виде нерегулярностей структуры составляет 95%; для стандартных светопередающих сред этот показатель порядка 30%.

Другой принцип создания новых световодов использует уже отработанную волоконно-оптическую технологию, в которой кварцевая легированная заготовка в виде стержня вытягивается при температуре 2000^оС. В частности, в кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковывают капилляры диаметром около 1 мм, причем упаковка капилляров в поперечном сечении имеет гексагональную структуру, выгодную для фотонного кристалла. Вытяжка уменьшает все размеры в тысячи раз.

Примерная структура оптоволокон нового типа показана на рис. 6.4. Часть их имеет полую световедущую жилу в центре, в них используется тот же принцип, что для световодов на основе «поленницы». В других, со сплошной центральной световедущей жилой, механизм проводимости смешаный (частично – полное внутреннее отражение, частично – использование запрещенной фотонной зоны).

Рис. 6.4. Виды световодов, основанных на фотонных кристаллах [4]

Фотонно-кристаллические световоды (ФК-световоды) – перспективный элемент различных сенсоров. Оптические характеристики ФК световодов изменяются при механическом, тепловом и других воздействиях. При этом возможен прием сигнала на значительном расстоянии от места измерения, а высокая радиационная и коррозионная стойкость делают систему надежной.

Благодаря фотонным кристаллам открылась совершенно необычная возможность для хранения и обработки информации – создание ловушек для фотонов. Это область в кристалле, из которой выход фотонам запрещен из-за отсутствия в окружающем материале фотонной зоны проводимости. Ситуацию сравнивают с заряженным проводником, окруженным диэлектриком.

Явление захвата, или пленения (confinment), излучения в фотонных кристаллах – принципиально новый эффект, который не основан на многократном поглощении и испускании фотонов. Его предполагается использовать в элементах памяти, оптических транзисторах и пр.

Вторая, уже реальная в ближайшее время область применения фотонных кристаллов – повышение на порядок эффективности ламп накаливания. В настоящее время только 5% энергии, выделяемой лампой накаливания, попадают в диапазон видимой части света, остальная энергия выделяется в виде ненужного и даже вредного тепла (в качестве примера взята вольфрамовую нить, позволяющая обеспечить нагрев до 2000оС). Идеальным материалом был бы фотонный кристалл, для которого инфракрасный диапазон попадает в запрещенную зону, а основная часть энергии излучается в видимой области спектра. Недавно на этом пути был предложен перспективный материал, представляющий «губку» из тугоплавкого металла (того же вольфрама), погруженного в воздух или другую диэлектрическую среду. Период этого 3D-фотонного кристалла равен 4,2 мкм при толщине элементов структуры в 1,2 мкм. Очень широкая запрещенная зона в диапазоне от 8 до 20 мкм позволила повысить эффективность лампы накаливания до 60%.

Вероятно, в ближайшее время будут использоваться сочетания традиционных полупроводниковых устройств и устройств на базе фотонных кристаллов. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике. Однако для построения полностью оптической системы необходимо иметь чисто оптические устройства, обеспечивающие преобразование и обработку информации. Одна из проблем – создание так называемых нелинейных оптических материалов (НОМ), позволяющих управлять светом также с помощью света (оптическая коммутация). Работы в этой области ведутся, но пока оптические коммутаторы имеют слишком большие размеры.

Фотонные полупроводники предполагается использовать для управления световыми потоками, что можно делать, изменяя положение и ширину запрещенной фотонной зоны. Например, в фотонных кристаллах-репликах с искусственных опалов полости покрыты веществом, меняющим коэффициент преломления под действием электрического или магнитного поля, что позволяет управлять положением запрещенной зоны.

Как известно, испускание света возбужденными атомами является случайным процессом, время эмиссии контролировать не удавалось, можно было говорить только о его среднем значении. В фотонном кристалле эмиссию света можно ускорять или замедлять.

В 2004 году появилось сообщение о создании лазера на основе искусственного инвертированного опала. В полые сферы, расположенные на расстоянии 240-650 нм, вводили коллоидные частицы полупроводника селенида кадмия с диаметром 4,5 нм. С помощью лазерного импульса эти «искусственные атомы» переводились в возбужденное состояние, причем время эмиссии можно было контролировать. Заметим, что лазеры с задержкой эмиссии выгодно применять, например, для солнечных батарей, а с ускоренной эмиссией – для минилазеров и светодиодов.

Была решена еще одна важная проблема для полупроводниковых лазеров. Обычный многокаскадный полупроводниковый лазер представляет собой 1D-структуру из нанометровых слоев полупроводника и излучает во все стороны параллельно плоскостям слоев. Ученым с помощью уникальной электронно-лучевой литографической установки удалось нанести на слои полупроводника гексагональную структуру фотонного кристалла. В итоге лазер излучает перпендикулярно к слоям полупроводника и ему не нужны дополнительные устройства фокусировки. Это расширяет область его применения. Заметим, что размеры нового лазера на фотонных кристаллах – порядка 50 мкм, что вдвое тоньше диаметра человеческого волоса.

Фотонные кристаллы в природе

Неоднократно случалось, что, открыв новый эффект, исследователи обнаруживают его в живой природе. Как упоминалось выше, природа сферических кластеров, формирующих опал, возможно, связана с минерализацией таких микроорганизмов, как диатомеи или радиолярии.

Австралийские ученые обнаружили причину эффекта яркого, радужно переливающегося «меха» у глубоководного морского червя «морская мышь» (genus Aphrodita) (рис. 6.5). Мех способен отражать почти со 100%-й эффективностью во всей видимой области спектра – от красного и зеленого цвета до голубого. Сканирующий электронный микроскоп показал, что ворсинки этого меха обладают 2D-периодической структурой, вероятно, с неполной запрещенной зоной. Оказалось, что радужные переливы на чешуйках и перьях ряда животных объясняются не столько цветом их пигментов, сколько их периодичной структурой фотонного кристалла. Видимо, в животном мире такие эффекты связаны с привлечением полового партнера или устрашением врага.



Рис. 6.5. Морской червь Genus Aphrodita (а), его радужныеиголки (б, в) и изображение поперечного сечения иголки в сканирующем электронном микроскопе (г) [3, 5].

Бельгийско-венгерская группа ученых с помощью электронной микроскопии продемонстрировала упорядоченную структуру в виде решета с отверстиями субмикронных размеров на крыльях самцов тропических бабочек (рис. 6.6).



Рис. 6.6. Бабочка Morpho rhetenor и детали выделенного участка ее крыла. Ниже слева – фотографии в сканирующем электронном микроскопе крыльев тропических бабочек (a, b) и бабочек из северных районов (c) [3, 5]



Рис. 6.6. Бабочка Morpho rhetenor

Оказалось, что эта структура снижает поглощение света и вредный разогрев крылышек. Эволюция тех же бабочек, живущих в более холодных климатических поясах, привела к потере красивого сине-фиолетового перелива крылышек – структура фотонного кристалла на них исчезла, и крылышки приобрели коричневый цвет. Одновременно появился дополнительный источник тепла за счет поглощения крылышками энергии солнечного света. Ученые считают, что такое влияние фотонно-кристаллической структуры на тепловой баланс поверхности можно использовать в защитных скафандрах для космоса и для работы в пустынях.

Предполагают, что удивительные переливы некоторых драгоценных восточных ковров, которые юные мастерицы ткут годами, также определяются не только цветом нитей, но и поверхностной структурой. Делаются попытки получить по этому принципу новый тип тканей.

Опал замыкает ряд драгоценных камней, нашедших применение в квантовых оптических технологиях. Первый лазер (в оптическом диапазоне длин волн) был создан в 1960 году на кристалле рубина. На основе кристаллического александрита появились перестраиваемые твердотельные лазеры. Мощные лазеры были созданы на кристаллах иттрий-алюминиевого граната. Красота драгоценных камней сочетается с их перспективностью для современной технике.