光子甲蟲：大自然替未來光學電腦打造鑽石般晶體

The Photonic Beetle: Nature Builds Diamond-Like Crystals For Future Optical Computers
http://www.physorg.com/news130481875.html

May 20, 2008

研究者還未能打造出一種理想的、用來操縱可見光的「光子結晶體（photonic crystal）」，阻礙了超快速光學電腦的夢想。但現在，Utah 大學的化學家發現，大自然早已設計出理想的、具有鑽石般結構的光子晶體：他們從一種來自於巴西的甲蟲身上發現這種發出微光、呈現出虹彩綠（iridescent green，想想看雷射防偽標籤的顏色）的鱗片（scales）。

"顯然是像甲蟲這樣一種簡單的生物，在次世代運算這方面，提供給我們一種技術上最受歡迎的一種結構，" 研究領導者 Michael Bartl 說，Utah 化學助教授，與兼任物理助教授。 "大自然在製造結構與材料上有其簡單方法，那是我們數百萬美元的儀器與工程策略仍無法獲得的。"

這項由 Bartl、Utah 化學博士生 Jeremy Galusha 與同僚所完成的研究，預計在本週的 Physical Review E 上發表。

此甲蟲是種一英寸長的象鼻蟲，名叫 Lamprocyphus augustus。其鱗片的結晶結構代表著科學家首度能同對光子晶體來說是種理想或 "一流的（Champion）" 結構的材料一起研究。

"大自然使用一種相當簡單的策略來設計結構以操縱光線 -- 這些結構遠超過我們當前能力所及，" Galusha 說。

Bartl 與 Galusha 現在正嘗試設計此甲蟲之光子晶體的一種合成版本，把鱗片材料當成一種模型，從一種透明半導體設計結晶體。

這些鱗片無法用於技術性裝置，因為它們以指甲般的幾丁質（chitin）製成，那對於長期使用並不穩固，同時不具半導體特性，也無法適當地彎曲光線。

這項研究由 Utah 化學家與共同作者 Lauren Richey，前 Springville 高中生，現在就讀 Brigham Young 大學（BYU）、BYU 生物學教授 John Gardner 以及 IBM Almaden 研究中心的 Jennifer Cha 所進行。


追尋理想或一流的光子晶體

研究者為了開發出光學電腦而尋找光子晶體，那以光而非電子運作。

現在，近紅外光與可見光都能透過光纖載運資料與通訊，不過資料在進電腦處理之前，都得從光轉換回電。其目標，仍需好多年，是一種超高速電腦，具有以光而非電運作之光學積體電路或晶片。

研究者亦在尋找理想的光子晶體能用來增強光線，也因此讓太陽能電池更有效率；能用來捕捉光線，催化化學反應；還能用來產生微小的雷射光束，可做為光學晶片的光源。

"光子晶體是一種新類型的光學材料，以非古典方式操縱光線，" Bartl 說。某些顏色的光線能以不同速度通過光子晶體，而其他波長則如同遇到一面鏡子般被反射回去。

Bartl 說對於光線如何能透過光子晶體以新方法被操縱與收集，這裡有許多提案，"然而，我們仍缺乏適當材料，讓我們能創造出理想的光子晶體以操縱可見光。像這樣的材料不管是人造的或合成的，都不存在。"

理想的光子晶體 -- 被封為「一流的」結晶體 -- 在 1990 年由其他科學家所描述。他們證明最理想的光子晶體 -- 能以最有效率的方式操縱光線 -- 其結晶體結構將如同鑽石中碳原子的晶格一樣。鑽石無法用於光子晶體是因為它們的原子包裹的過於緊密，以致於無法操縱可見光。

當以一種適當材料製成時，一種鑽石般的結構將創造出寬大的「光子能帶隙（photonic bandgap）」，這表示結晶狀的結構能阻止某些波長範圍的光傳播。如果研究者要設計能操縱可見光的光學電路，具有這種能帶隙的物質是必需的。


在甲蟲的路上：從 BYU 到比利時與巴西

這項新研究在 Richey 生物學中虹彩色的科展計畫裡有其淵源，當時她是 Springville 高中的一位學生。Gardner 在 BYU 的小組在幫忙她的同時，Galusha 正好也在這裡使用電子顯微鏡，並獲悉 Richey 的計畫。

Richey 想要檢查一種虹彩色的甲蟲，不過缺乏完整的樣本。所以研究者從比利時昆蟲商那裡訂購巴西的 Lamprocyphus augustus。

這種甲蟲金光閃閃、瑞氣千條的綠色，是由其鱗片的結晶結構而不是由任何顏料所造成的，Bartl 說。這些鱗片以幾丁質製成，那構成大部分昆蟲的外骨骼（exoskeleton）且與指甲的原料相似。這些鱗片附在甲蟲的外骨骼上。每片量起來有 200 微米長 x 100 微米寬。人類的頭髮大約 100 微米厚。

綠光 -- 其波長約 500 - 550 奈米 -- 無法穿透鱗片的結晶結構，其作用如同鏡子般將綠光反射回來，使得甲蟲顯現出虹彩綠。Bartl 說甲蟲很有趣，因為牠不管從哪個方向看都呈虹彩色 -- 不同於大部分的虹彩物體 -- 而且電子顯微鏡的初步檢驗證實其鱗片並沒有人造光子晶體的典型結構。

"顏色與結構看來很有趣，" Bartl 說。"問題是，是什麼樣的三維結構產生這些獨特的光學特性？"

Utah 團隊的研究首度證明，"正如同原子在鑽石結晶中所安排的樣子，甲蟲鱗片的幾丁質結構亦然，" 他說。

Galusha 利用一種掃描式電子顯微鏡來決定鱗片的三維結構。他剪下一個鱗片的橫斷部份，接著觀看其電子顯微鏡影像。接著，他使用一束已聚焦的離子束 -- 有點像噴槍，那射出一道鎵離子 -- 刮去鱗片的暴露端，並拍攝另一張影像，如此反覆再三，直到他從同樣的鱗片獲得 150 張橫斷面影像。

研究者接著將電腦中影像「堆疊」在一起，並決定了這種鱗片物質的結晶結構：一種如鑽石般，或「第一流的」構造，但以幾丁質及空氣而非鑽石中的碳原子為基石。

接著，Galusha 與 Bartl 利用光學研究與理論來預測鱗片結構的光學特性。其預測與實際相符：綠色的虹彩。

許多虹彩物體只有從某種角度觀看時才會以那種方式顯露，不過甲蟲從任何角度來看都維持虹彩色。Bartl 說甲蟲所採用的方法是種「精巧的工程策略」那與某種用來控制可見光傳播的技術相近。

甲蟲單一個鱗片並不是一種連續不斷的結晶體，而是包含超過 200 片的幾丁質，每個都具有基於鑽石的結晶體結構，但每個都朝著不同的方向。故每片反射稍微不同的波長，或綠色色度。

"每一片都太小了以致於無法用你的眼睛個別看見，故你所見到的是一種合成的效果，" 能從任何角度看見綠色，Bartl 解釋。

科學家不清楚甲蟲如何用牠的顏色，但 "因為那是種不自然的綠色，故它不太可能用於偽裝，" Bartl 說。"那可能用來吸引異性。"

※ 相關報導：

＊ Discovery of a diamond-based photonic crystal structure in beetle scales
http://link.aps.org/abstract/PRE/v77/e050904

Jeremy W. Galusha, Lauren R. Richey, John S. Gardner,
Jennifer N. Cha, and Michael H. Bartl
Phys. Rev. E 77, 050904(R) (2008) (4 pages)
doi: 10.1103/PhysRevE.77.050904

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