في عام 1887 ، اقترح الفيزيائي الاسكتلندي ويليام طومسون نموذجه الهندسي لهيكل الأثير ، والذي كان من المفترض أنه وسيط واسع الانتشار ، ويبدو لنا اهتزازاته كموجات كهرومغناطيسية ، بما في ذلك الضوء. على الرغم من الفشل الكامل لنظرية الأثير ، استمر النموذج الهندسي في الوجود ، وفي عام 1993 اقترح دينيس وير وروبرت فيلان نموذجًا أكثر تقدمًا لهيكل قادر على ملء الفراغ قدر الإمكان. منذ ذلك الحين ، اهتم هذا النموذج في الغالب بعلماء الرياضيات أو الفنانين ، لكن دراسة حديثة تشير إلى أنه يمكن أن يكون أساسًا لتقنيات المستقبل التي تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء. ما هي رغوة Weir-Phelan ، ولماذا هي غير عادية ، وكيف يمكن استخدامها لالتقاط الضوء؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير مجموعة البحث. يذهب.
أساس البحث
قبل مائة عام ، كانت هناك نظرية غريبة جدًا في المجتمع العلمي حول بعض الأمور المتعلقة بكل شيء. هدفت هذه النظرية إلى شرح طبيعة الموجات الكهرومغناطيسية. كان يعتقد أن الأثير يحيط بكل شيء وهو مصدر هذه الموجات. الاكتشافات العلمية التي أعقبت نظرية الأثير دمرتها تمامًا.
وليام طومسون
ومع ذلك ، في عام 1887 ، عندما كانت نظرية الأثير مليئة بالقوة والشعبية ، أعرب العديد من العلماء عن أفكارهم حول كيف يمكن للأثير أن يملأ كل الفراغ. وليام طومسون ، المعروف أيضًا باسم اللورد كيلفن ، لم يكن استثناءً. كان يبحث عن هيكل يملأ الفراغ بشكل مثالي بحيث لا توجد مناطق فارغة. سميت عمليات البحث هذه فيما بعد "بمشكلة كلفن".
مثال بدائي: تخيل صندوقًا يحتوي على علب كولا. بينهما بسبب الشكل الأسطواني ، توجد فراغات ، أي مساحة غير مستخدمة.
بالإضافة إلى اعتقاد طومسون بأن عمر الأرض لا يزيد عن 40 مليون سنة ، اقترح هيكلًا هندسيًا جديدًا تم تحسينه بواسطة دينيس وير وروبرت فيلان ، ونتيجة لذلك تم تسميته باسمهم.
في قلب هيكل Weir-Phelan توجد أقراص عسلية تملأ الفراغ بأشكال متعددة السطوح غير المتقاطعة ، دون ترك مساحة فارغة. تأتي أقراص العسل التي نفكر فيها عادةً على أنها سداسية بفضل قرص العسل في مجموعة متنوعة من الأشكال. هناك مكعب ، ثماني السطوح ، رباعي السطوح ، معيني السطوح ، إلخ.
هيكل وير فيلان
تعتبر أقراص Weir-Phelan Honeycomb غير عادية من حيث أنها تتكون من عناصر وأشكال هندسية مختلفة. في جوهرها ، تعتبر رغوة مثالية من الفقاعات من نفس الحجم.
كان سلف هذه الرغوة هو الذي اقترحه اللورد كلفن ، وهو مألوف لدينا بالفعل. ومع ذلك ، فإن نسخته تتكون من أقراص عسلية مكعبة مختصرة. كان هيكل كلفن عبارة عن قرص عسل منتظم محدب يتكون من مثمن مجسم مقطوع ، وهو عبارة عن متعدد السطوح رباعي الوجوه (رباعي الوجوه) يملأ الفراغ ، مع 6 أوجه مربعة و 8 وجوه سداسية.
يعتبر هذا الخيار لملء المساحة القصوى مثاليًا لما يقرب من مائة عام ، حتى في عام 1993 افتتح وير وفيلان هيكلهما.
خماسي الوجوه ورباعي الوجوه
يتمثل الاختلاف الرئيسي بين قرص عسل Weir-Phelan عن سابقتها في استخدام نوعين من العناصر المكونة ، والتي ، مع ذلك ، لها نفس الحجم: خماسي الوجوه (ثنائي الوجوه مع تناظر رباعي السطوح) ورباعي السطوح مع تناظر دوراني.
في العمل الذي ندرسه اليوم ، قرر علماء من جامعة برينستون استخدام رغوة Weir-Phelan في الضوئيات. بادئ ذي بدء ، كان من الضروري معرفة ما إذا كانت هذه الرغوة بها فجوات نطاق ضوئي (PBG) ، والتي تمنع انتشار الضوء في جميع الاتجاهات وجميع الاستقطابات في نطاق تردد واسع.
أظهر العلماء في دراستهم أن شبكة Weir-Phelan الضوئية ثلاثية الأبعاد القائمة على الرغوة أدت إلى إنتاج PBG كبير (16,9٪) بدرجة عالية من الخواص *، وهي خاصية مهمة للدوائر الضوئية.
الخواص * - نفس الخصائص الفيزيائية في كل الاتجاهات.
كان أداء رغوة كلفن ورغوة C15 جيدًا أيضًا في PBG ، لكنهما كانا أدنى من هيكل Weir-Phelan في هذا المقياس.
في السابق ، تم إجراء دراسات مماثلة بالفعل ، ولكن تم الاهتمام فيها بالرغوة الجافة ثنائية الأبعاد. ثم وجد أن الرغوة الجافة غير المتبلورة ثنائية الأبعاد تظهر PBG فقط للاستقطاب الكهربائي المستعرض. تكمن المشكلة في وجود استقطابين في الرغوة ثلاثية الأبعاد.
على الرغم من الصعوبات المحتملة ، يمكن اعتبار الرغوة ثلاثية الأبعاد بأمان مادة واعدة في مجال الضوئيات ، وفقًا للباحثين. هناك سبب لذلك: تضمن قوانين الهضبة أن تشكل الحواف رؤوسًا رباعية السطوح حصريًا. وهذه إضافة كبيرة للشبكات الضوئية. وخير مثال على ذلك هو الماس ذو PBG بنسبة 30٪.
تحتوي الرغوة على خاصية رباعي السطوح للإحداثيات الشبكية الماسية ، ولكنها تختلف في وجود حواف منحنية وأطوال روابط غير متساوية إلى حد ما. يبقى فقط لمعرفة كيف وإلى أي مدى تؤثر هذه الاختلافات على الخصائص الضوئية.
إذا كانت أضلاع الرغوة الجافة ثلاثية الأبعاد أكثر سمكًا ، فيمكن إنشاء شبكات ضوئية (الصور أدناه) تعرض PBGs ضوئية واضحة تصل إلى 17٪ ، قابلة للمقارنة أو متفوقة على تلك الموجودة في الأمثلة النموذجية للبلورات الضوئية ذاتية التجميع.
الصورة رقم 1: تم الحصول على شبكات الرغوة الضوئية عن طريق زيادة سماكة حواف هيكل Weir-Phelan (يسار) ، وهيكل Kelvin (وسط) ورغوة C15 (يمين).
من أجل تنفيذ مثل هذا النموذج في الممارسة العملية ، يجب أولاً بلورة الرغوة الجافة ثم طلاءها بمادة عازلة للكهرباء. بطبيعة الحال ، سيكون أداء PBG للرغوة أقل من أداء البلورة الضوئية ، ولكن يمكن تغطية هذا العيب بعدد من المزايا. أولاً ، يمكن أن يسمح التجميع الذاتي للرغوة بالإنتاج السريع لعينات كبيرة. ثانيًا ، قد يكون للتركيبات غير المتجانسة للرغوة الضوئية ، في ضوء الدراسات السابقة ، نطاق أوسع من التطبيقات.
نتائج الدراسة
بادئ ذي بدء ، كان من الضروري دراسة الرغوة الجافة ، والتي يتم تعريفها على أنها الحدود الدنيا المحلية للمنطقة البينية الفسيفساء * تخضع لقيود الحجم ، بحيث تخضع الهندسة النهائية لقوانين الهضبة.
التغطية بالفسيفساء * - تقسيم الطائرة إلى أجزاء مكونة تغطي المستوى بالكامل دون ترك أي فجوات.
لإنشاء رغاوي Weir-Phelan و Kelvin و C15 ، بدأ العلماء بفسيفساء Voronoi الموزونة لبلورات BCC أو A15 أو C15 ، على التوالي.
مخطط فورونوي
تم اختيار المعلمات بطريقة تجعل كل خلايا الفصل لها نفس الحجم.
تمت دراسة الشبكات المتكونة من أضلاع رغوية منحنية ومن أضلاع فسيفساء مستقيمة من سابقاتها. لتقييم طوبولوجيا جميع أنواع الرغوة تم استخدامه إحصائيات الحلقة *.
إحصائيات الطوق (إحصائيات الحلقة) *غالبًا ما يعتمد تحليل الخصائص الطوبولوجية لمواد الشبكة (السوائل أو الأنظمة البلورية أو غير المتبلورة) على نظرية الرسم البياني ، باستخدام عقدة الذرات والروابط للروابط بين الذرية. يتم تحديد غياب أو وجود اتصال بين عقدتين من خلال تحليل وظائف التوزيع الشعاعي الكلي والجزئي للنظام. في مادة الشبكة ، يُطلق على سلسلة من العقد والروابط المتصلة في سلسلة دون تداخل اسم المسار. باتباع هذا التعريف ، فإن الحلقة هي ببساطة مسار مغلق. إذا كنت تدرس بعناية عقدة معينة في الشبكة ، يمكنك أن ترى أن هذه العقدة يمكن أن تشارك في حلقات متعددة. تتميز كل حلقة من هذه الحلقات بحجمها ويمكن تصنيفها بناءً على العلاقات بين العقد والروابط التي تتكون منها.
الطريقة الأولى لتحديد الخاتم أعطتها شيرلي دبليو كينغ. لدراسة اتصال الزجاج SiO2 ، حددت الحلقة على أنها أقصر مسار بين أقرب جيران لموقع معين.
في حالة الدراسة قيد النظر ، تم إجراء حسابات لعدد الحلقات الأقصر لكل رأس في خلية أولية.
تحتوي خلية واحدة في نموذج كلفن على مربعين و 2 أشكال سداسية لكل رأس ، بينما تحتوي رغوة TCP (المعبأة الرباعية السطوح) على وجوه خماسية وسداسية فقط (القيم المتوسطة: 4 و 5.2 في رغوة Weir-Phelan ؛ 0.78 و 5.3 في رغوة C0.71) . الفسيفساء Voronoi A15 و C15 هي هياكل TCP مع أكبر وأصغر عدد من الوجوه (f) لكل خلية واحدة. وبالتالي ، فإن هيكل Weir-Phelan يحتوي على أكبر عدد من الوجوه (f = 13 + 1/2) ، و C15 هو أصغر عدد من الوجوه (f = 13 + 1/3).
بعد الانتهاء من الإعداد النظري ، بدأ العلماء في نمذجة الشبكة الضوئية بناءً على أضلاع الرغوة الجافة ، أي شبكة الفوتون الرغوي. وجد أنه عند قيمة PBG البالغة 20٪ ، يتم تعظيم أداء النظام ، وعند 15٪ ، تصبح رغوة Weir-Phelan غير مستقرة. لهذا السبب ، لم يفكر العلماء في الرغوة الرطبة ، حيث تحتوي حدود الهضبة على مقاطع ثلاثية الشرف. وبدلاً من ذلك ، تركز كل الاهتمام على هياكل الرغوة الجافة ، حيث يمكن للعلماء زيادة سمك الأضلاع تدريجياً.
بالإضافة إلى ذلك ، كل حافة هي المحور الإنسي للأسطوانة الكروية (كبسولة) ، حيث يكون نصف القطر هو الإعداد.
يذكر الباحثون أن شبكات الرغوة هذه ليست رغوة بالمعنى الحرفي للكلمة ، ومع ذلك ، في تقريرهم ، من أجل البساطة ، سيشار إليها باسم "شبكة الرغوة" أو "شبكة الرغوة".
أثناء المحاكاة ، تم أخذ المعلمة في الاعتبار ɛ (التباين العازل) هو نسبة الثوابت العازلة للمواد ذات قيمة العزل العالية والمنخفضة. من المفترض أن يكون التباين العازل بين 13 و 1 ، وهو شائع الاستخدام في الأدبيات كمعيار عند مقارنة أداء التصميمات المختلفة للمواد الضوئية.
لكل شبكة ، يتم تحسين نصف قطر الحواف (الأسطوانات الكروية) لأقصى نسبة لفجوة النطاق ووسطها:ω/ωmأين ∆ω هو عرض نطاق التردد ، و ωm هو التردد داخل المنطقة.
الصورة # 2: هيكل منطقة الفوتون لرغوة Weir-Phelan (حمراء) ، ورغوة Kelvin (زرقاء) ، ورغوة C15 (خضراء).
تم قياس أبعاد PBG بشكل إضافي ووجد أنها: 7.7٪ لرغوة Kelvin ، و 13.0٪ لرغوة C15 ، و 16.9٪ لرغوة Weir-Phelan. يؤدي تقليل المساحة إلى زيادة أبعاد PBG بنسبة 0.7٪ أو 0.3٪ أو 1.3٪.
كما أصبح واضحًا من التحليل ، تحتوي شبكات TCP على شبكات PBG أكبر بكثير من شبكات Kelvin. من بين شبكتي TCP ، فإن رغوة Weir-Phelan بها أكبر فجوات في النطاق ، والتي يُفترض أنها ناتجة عن التغيير الأصغر في طول الوصلة. يعتقد العلماء أن الاختلافات في أطوال الروابط قد تكون السبب الرئيسي وراء ذلك في نظامهم ، أي في رغوة Weir-Phelan ، يكون PBG أقل من الماس (31.6٪) أو في نظام Laves (28.3٪).
ومن الجوانب التي لا تقل أهمية في علم الضوئيات هو تماثل PBG ، مما يجعل من الممكن إنشاء أدلة موجية ذات شكل تعسفي. تعتبر شبه البلورات الضوئية وكذلك الشبكات الضوئية غير المتبلورة أكثر خواصًا من البلورات الضوئية التقليدية.
يحتوي هيكل الفوتون الرغوي المدروس أيضًا على درجة عالية من الخواص. يوجد أدناه معادلة تحديد معامل تباين الخواص (أي درجة الاختلاف في خصائص وسط معين) PBG (А):
أ: = (√ فار [ωHDB] + فار [ωمختبر]) / ωm
وجد أن رغوة C15 لديها أدنى تباين (1.0٪) ، تليها رغوة Weir-Phelan (1.2٪). لذلك ، فإن هذه الهياكل شديدة الخواص.
لكن هيكل كلفن يوضح معامل تباين بنسبة 3.5٪ ، وهو قريب جدًا من مؤشر نظام Laves (3.4٪) والماس (4.2٪). ومع ذلك ، حتى هذه الأرقام ليست الأسوأ ، لأن هناك أيضًا أنظمة مكعبة بسيطة ذات معامل تباين بنسبة 8.8٪ وشبكات الماس سداسية بنسبة 9.7٪.
من الناحية العملية ، عندما يكون من الضروري تحقيق أقصى قيمة لـ PBG ، يكون من الضروري في بعض الأحيان تغيير معلمات فيزيائية معينة للهيكل. في هذه الحالة ، تكون هذه المعلمة هي نصف قطر الأسطوانات الكروية. أجرى العلماء حسابات رياضية اكتشفوا فيها نسبة فجوة النطاق الضوئية وعرضها كدالة. ɛ. لكل قيمة تم الحصول عليها ، تم إجراء تحسين نصف القطر لتعظيم ∆ω/ ميكرومتر.
الصورة # 3: مقارنة بين ∆ω / ميكرومتر لشبكات الرغوة المدروسة (C15 ، Kelvin ، Weir-Phelan) والهياكل الأخرى (الماس ، الماس السداسي ، Laves ، SC - مكعب عادي).
تحافظ رغوة Weir-Phelan على أبعاد PBG مقبولة بنسبة 8 ٪ وصولاً إلى تباين العزل الكهربائي ɛ≈9 ، وتمت زيادة نصف القطر للوصول إلى الحد الأقصى لقيمة PBG بنسبة 15٪. عندما تختفي PBG ɛ <6.5. كما هو متوقع ، يحتوي الهيكل الماسي على أكبر PBG بين جميع الهياكل المدروسة.
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر и له.
خاتمة
الدافع الرئيسي لإجراء هذه الدراسة ، يقول العلماء الرغبة في الإجابة على السؤال - هل يمكن لشبكات الرغوة إظهار PBG الكامل. أظهر تحويل حواف هياكل الرغوة الجافة إلى شبكات فوتونية أنها تستطيع ذلك.
في الوقت الحالي ، لا تعتبر الرغوة بنية مدروسة بشكل خاص. بالطبع ، هناك دراسات تعطي نتائج جيدة من حيث الشبكات غير المتبلورة ، لكنها أجريت على أجسام صغيرة للغاية. كيف سيتصرف النظام مع زيادة أبعاده لا يزال غير واضح.
وفقًا لمؤلفي الدراسة ، فإن عملهم يفتح العديد من الفرص للاختراعات المستقبلية. الرغوة شائعة جدًا في الطبيعة وسهلة التصنيع ، مما يجعل هذا الهيكل جذابًا جدًا للتطبيقات العملية.
أحد أكثر التطبيقات طموحًا لعلماء أبحاثهم هو الإنترنت. كما يقول الباحثون أنفسهم ، فإن نقل البيانات عبر الألياف الضوئية ليس جديدًا ، ولكن في الوجهة ، لا يزال الضوء يتحول إلى كهرباء. يمكن للمواد ذات فجوة الحزمة الضوئية أن توجه الضوء بشكل أكثر دقة من كابلات الألياف البصرية التقليدية ويمكن أن تكون بمثابة ترانزستورات بصرية تقوم بإجراء العمليات الحسابية باستخدام الضوء.
بقدر ما هي خطط طموحة ، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به. ومع ذلك ، لا يمكن أن يؤدي تعقيد إجراء البحوث ولا تعقيد تنفيذ التجارب إلى هزيمة حماس العلماء ورغبتهم في تحسين عالم التكنولوجيا.
شكرًا على المشاهدة ، ابق فضوليًا واستمتع بعطلة نهاية أسبوع رائعة للجميع! 🙂
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتوى المثير للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، , خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم المبتدئة ، والتي اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com