Tajemství barvy zlata a antických pohárů

neděle 25. říjen 2009 22:25

Lykurgovy poháry jsou pojmenovány po bájném králi, vládnoucím kdesi na území dnešní Dalmácie ve 4. století n.l. Lykurgos byl mytologický thrácký král, který byl údajně oslepen, když se protivil Dionýsovu kultu. Na pohárech je král zobrazen, jak je lákán do podsvětí Ambrosií, která se proměnila ve vinnou révu. Do dnešního dne se zachovalo jen několik těchto pohárů, všechny pocházejí z Říma a několik jich lze spatřit v Britském muzeu v Londýně. Vlysy na pohárech jsou s nádobou spojeny jen tenkými můstky, aby nenarušovaly průchod světla a samy o sobě představují vysoce umělecky i technicky vyspělé řešení..

The Lycurgus Cup when lit from outside and inside

Avšak největší zvláštnost těchto vzácných nádob spočívá v jejich neobvyklých barvách. Je-li pohár pozorován v odraženém, např. denním světle, má smaragdově zelenou barvu s kovově zlatým leskem. Je-li však zdroj světla umístěn dovnitř poháru, prosvítá nádherně rubínově a tak pozadí poháru při vhodném osvětlení evokuje barvu pekelných plamenů. Chemická analýza pohárů odhalila, že sklo obsahuje 73 % oxidu křemičitého SiO2, 14 % oxidu sodného Na2O a 7 % oxidu vápenatého CaO - tedy složení, které se nijak neliší od běžného moderního skla. Sklo pohárů však navíc obsahuje nepatrné množství zlata v koncentraci cca 40 ppm (parts-per-milion, čili miliontin, tj. pouhých 40 mg/kg) a stříbra (cca 300 ppm), které se ve skle nacházejí ve formě tzv. nanokrystalů o přesně definovaném průměru asi 70 nanometrů (miliontin milimetru - viz obr. níže)  Materiál nanokrystalků tvoří tzv. intermetalická sloučenina zlata a stříbra Au3Ag7, která má poněkud jinéí zbarvení, než pouhá směs zlata a stříbra. Např. slitina zlata s hliníkem je růžová, se stříbrem má odstín dozelena.

Thrácké poháry byly vysoce ceněny již starými Římany, podobně jako pozdější metalizovaná umbrijská majolika pocházející z okolí Toskánska. Objev barvení skla přísadou malého množství zlatého prášku je přisuzován německému skláři Johannu Künckelovi, který žil v 17. století, ale je zjevné, že tato technologie bude mnohem starší. Dodnes vlastně není přesně známo, jakou techniku římští skláři pro barvení svého skla používali.

Nanokrystaly zlata z Lykurgských pohárů

Proměnlivé zbarvení pohárů souvisí s neobvyklou vlastností zlata, stříbra a mědi, kterou se liší od většiny ostatních kovů. Atomy těchto prvků poutají elektrony mimořádně volně, což jim dodává výbornou tepelnou a elektrickou vodivost. Jejich atomová mřížka je prosycena elektrony jako mokrá houba vodou. Elektrony jsou v atomové mřížce volně pohyblivé a na povrchu kovu tvoří při dopadu vlny světla vlny podobné vlnám, které se šíří od šplouchanců na hladině rybníka. U většiny kovů však jejich vlnová délka leží v neviditelné ultrafialové oblasti, ale v případě volně vázaných elektronů alkalických kovů (rubidium, cesium) a mědi, stříbra či zlata zasahují do viditelné oblasti a propůjčují těmto kovům jejich typické teple bílé, nažloutlé až růžové zbarvení. Kovy jemně rozptýlené ve skle nebo v roztoku či velmi tenké kovové fólie naopak prosvítají živými barvami: hnědě (stříbro), zeleně (měď) až rubínově (zlato).

Ukázka růžové, bílé a žluté slitiny zlata

Vlny elektronů na povrchu kovových atomů přenášejí elektromagnetické pole podobně jako fotony světlo. Těmto vlnám se ve fyzice říká kvazičástice a protože je tvoří elektricky nabité částice na povrchu elektronové plasmy, označují se jako povrchové plasmony. Za nízkých teplot je lze poměrně pohodlně studovat na tenkých vrstvách zlata napařeného na skleněnou podložku např. technikou nazývanou SNOM (Scanning Near Field Optical Microscopy). Lze tak např. demonstrovat známý dvouštěrbinový experiment kvantové mechaniky v uspořádání, které je zobrazeno na obr. níže.

Studium povrchových plasmonů metodou SNOM

Pro fyziky jsou povrchové plasmony zajímavé z celé řady hledisek. Na malých kovových částečkách se totiž projevují kvantové jevy, podobně jako v případě jednotlivých atomů - ale protože k nim dochází v mnohem větším měřítku, umožňují je studovat za normálních teplot a mnohem jednodušeji. Místo atomové mřížky se používá tzv. polaritonový krystal, což je nanostruktura vytvořená z malých kovových částic. Např. nanočástice kobaltu potažené zlatem propouštějí terahertzové vlny, ale po zmagnetování se spiny povrchových elektronů díky orientaci magnetických domén v zrníčkách kobaltu polarizují, což šíření plasmonů ztěžuje a intenzita záření procházejícího skrz polaritonový krystal poklesne až o 70%, takže mohou sloužit jako magnetooptické spínače a rychlá záznamová média pro počítačovou techniku.

Další využití povrchových plasmonů představují tzv. kvantové počítače. Kvantové jevy lze studovat za velmi nízkých teplot na atomech tzv. bosonových kondenzátů, ale pro praktické účely se takový přístup vůbec nehodí. Udržování definovaného kvantového stavu zde vyžaduje prostředí izolované od otřesů, magnetických a elektrickejch polí, přesně laditelné lasery a elektromagnety, vysoce kvalitní vakuum a zdroje iontů, iontové pasti a spoustu helia na chlazení atd., atd. Takové pracoviště stojí spíš miliardy než miliony dolarů a proto první pokusy s kvantovou telekomunikací probíhaly tak, že se propojovaly nejbližší laboratoře: čili poptávka spojení šla za nabídkou, místo obráceně.

Naštěstí existuje několik způsobů, jak kvantové jevy ovládnout jednoduššeji i při vyšších teplotách. Jednou z možností je zvýšit hustotu prostředí, ve kterým se šíří kvantové vlny. Fotony ve vakuu odpovídají vlnám ve vzduchu s nízkou hustotou, k jejich detekování potřebujeme citlivý mikrofon. Pokud ale vlny vytvoříme na vodní hladině, nesou tolik energie, že jejich polohu můžeme sledovat např. plovákem. Pokud použijeme místo vody rtuť, můžeme její vlny detekovat i poslepu prstem, protože rtuť má zvlášť vysokou hustotu. A jak již bylo zmíněno výše, pro šíření elektromagnetických vln nemusíme používat jen vakuum - můžeme použít vlny na povrchu kovů s vysokou hustotou elektronů, čili povrchové plasmony.

Experimentální uspořádání je zde velice jednoduché (viz obr. výše) a představuje je krátká kovová tyčinka, tvořená napařená zlatou vrstvičkou zlata o délce několika mikrometrů. Díky tomu, že se vše odehrává v rezonanční dutině, byť často tvořené jen jednoduchou dvojicí rovnoběžně napařených kovových proužků se této technice říká CQED, čili Cavity Quantum Electro Dynamics. Plasmon je kolektivní vlna, na které se nepodílí víc jak sto elektronů současně a životnost plasmonů je docela vysoká, nicméně metodu lze učinit ještě citlivější tím, že na atomy v dutině rezonátoru posvítíme laserem přesně vybrané vlnové délky, čímž malou část z nich vybudíme do vyššího kvantového stavu, tzv. excitujeme - a pak necháme rezonovat jen excitované atomy, čímž se počet atomů, který se zapojí do měření snížíme ze stovek na desítky. Kvazičásticím využitým v experimentu se přitom říká povrchový plasmon exciton. Dále můžeme podíl atomů ještě více omezit tím, že na atomy budeme svítit polarizovaným světlem a definovat tak jejich spin, čímž mj. odstíníme náhodný šum pozadí - takovým kvazičásticím se označují jako "surface plasmon exciton polariton", neboli povrchový plasmonový polariton.

Nedávno se podařilo v CQED obvodu takto dosáhnout kvantových stavů s rozlišením pouze patnácti atomů a spolehlivě detekovat kvantové stavy přenášené jediným fotonem. Dobře definované rezonanční stavy kvantového oscilátoru se také označují jako Fockovy stavy podle ruského fyzika, který poprvé odvodil a popsal kvantovou rovnici vícečásticového oscilátoru. Mimo jiné bylo experimentálně dokázáno, že životnost kvantových stavů (graf a) a hustota jejich pravděpodobnosti (graf b) je nepřímo úměrná jejich kvantovému číslu (počtu atomů) - přesně tak, jak předpovídají základní rovnice kvantové mechaniky.

Třetí zajímavou oblast potenciálního využití povrchových plasmonů představují lasery a optoelektronika. Využití laserů však omezuje vlnová délka světla - většinou musí být mnohem rozměrnější, než jsou dnešní čipy mikropočítačů. Ale vlnová délka s rostoucí hustotou prostředí rychle klesá. Zatímco vlny světla ve vakuu mají vlnovou délku stovky nanometrů, vlny na povrchu zlata mají vlnovou délku více než desetkrát kratší, což umožňuje optický laser podstatně miniaturizovat. V úvodním experimentu byly ozářeny drobné kuličky koloidního zlata o průměru 44 nm, uzavřené místo ve skle v průhledném křemičitém obalu, vzniklého vysrážením roztoku křemičitanu sodného s příměsí fluoreskujícího barviva známého jako Oregonská zeleň, čili 2', 7'-difluorofluorescein, které se používá v tzv. svítivých fixách. Díky vzniku laserového efektu začne barvička na povrchu kuliček zářit v užším rozmezí vlnovejch délek, jako u skutečného laseru. Nový typ laseru dostal jméno spaser, protože laserový efekt v něm zpusobují právě povrchové plasmony (čili surface plasmons).

Milan Petřík

Související články