Сонау 1887 жылы шотланд физигі Уильям Томсон эфир құрылымының өзінің геометриялық моделін ұсынды, ол барлық таралатын орта болды, оның тербелісі бізге электромагниттік толқындар, соның ішінде жарық түрінде көрінеді. Эфир теориясының толық сәтсіздігіне қарамастан, геометриялық модель өмір сүруін жалғастырды және 1993 жылы Денис Уоре және Роберт Фелан кеңістікті мүмкіндігінше толтыруға қабілетті құрылымның жетілдірілген үлгісін ұсынды. Содан бері бұл модель көбінесе математиктерді немесе суретшілерді қызықтырды, бірақ соңғы зерттеулер оның электр қуатының орнына жарықты пайдаланатын болашақ технологиялардың негізін құра алатынын көрсетті. Ware-Phelan көбік дегеніміз не, оны ерекше етеді және оны жарық түсіру үшін қалай пайдалануға болады? Осы және басқа да сұрақтарға зерттеу тобының баяндамасынан жауап табамыз. Бар.
Зерттеу негізі
Жүз жыл бұрын ғылыми қоғамдастықта айналадағы барлық нәрсе туралы өте қызықты теория болды. Бұл теория электромагниттік толқындардың табиғатын түсіндіруге бағытталған. Эфир бәрін қоршап тұрады және бұл толқындардың көзі болып табылады деп есептелді. Эфир теориясынан кейінгі ғылыми жаңалықтар оны толығымен жойды.
Уильям Томсон
Алайда, 1887 жылы, эфир теориясы күш пен танымалдыққа толы болған кезде, көптеген ғалымдар эфирдің барлық кеңістікті қалай толтыра алатыны туралы өз идеяларын білдірді. Лорд Келвин ретінде белгілі Уильям Томсон да ерекшелік болмады. Ол бос орындар болмайтындай етіп кеңістікті тамаша толтыратын құрылымды іздеді. Бұл іздеу кейінірек Кельвин мәселесі деп аталды.
Қарапайым мысал: кола құтылары бар қорапты елестетіңіз. Олардың арасында цилиндрлік пішінге байланысты бос орындар пайда болады, яғни. пайдаланылмаған кеңістік.
Томсон Жердің жасы 40 миллион жылдан аспайтынына сенумен қатар, Денис Уоре мен Роберт Фелан жетілдірген жаңа геометриялық құрылымды ұсынды, нәтижесінде ол солардың есімімен аталды.
Ware-Phelan құрылымы бос орын қалдырмай, кеңістікті бөлінген полиэдрлермен толтыратын бал ұясына негізделген. Ұяның арқасында біз әдетте алтыбұрыш деп ойлайтын бал ұясы шын мәнінде әртүрлі пішінде келеді. Кубтық, октаэдрлік, тетраэдрлік, ромбтық додекаэдрлік және т.б.
Ware-Phelan құрылымы
Ware-Phelan бал ұялары туралы ерекше нәрсе - олар әртүрлі геометриялық пішіндер мен элементтерден тұрады. Негізінде бұл бірдей мөлшердегі көпіршіктердің тамаша көбігі.
Бұл көбіктің атасы лорд Келвин ұсынған, бізге бұрыннан таныс. Дегенмен, оның нұсқасы қысқартылған текше бал ұяларынан тұрды. Кельвин құрылымы кесілген октаэдрден құралған дөңес біркелкі бал ұясы болды, ол төрт қырлы, кеңістікті толтыратын полиэдр (тетрадекаэдр), 6 шаршы беті және 8 алтыбұрышты беті бар.
Кеңістікті барынша толтыруға арналған бұл опция Уоре мен Фелан 1993 жылы өз құрылымын ашқанға дейін жүз жылға жуық уақыт бойы тамаша болып саналды.
Бесбұрышты декаэдр және декаэдр
Ware-Phelan бал ұясы мен оның предшественнигі арасындағы негізгі айырмашылық құрамдас элементтердің екі түрін пайдалану болып табылады, алайда олардың көлемі бірдей: бесбұрышты декаэдр (тетраэдрлік симметриялы додекаэдр) және айналу симметриясы бар XNUMX-эдр.
Біз бүгін қарастырып отырған жұмыста Принстон университетінің ғалымдары фотоникада Ware-Phelan көбігін қолдануды ұйғарды. Біріншіден, мұндай көбіктердің жиіліктердің кең диапазонында барлық бағыттар бойынша және барлық поляризациялар үшін жарықтың таралуын блоктайтын фотонды жолақ саңылаулары (PBGs) бар-жоғын анықтау қажет болды.
Ғалымдар өздерінің зерттеулерінде Ware-Phelan көбікіне негізделген 16,9D фотоникалық желі жоғары дәрежелі PBG-ге (XNUMX%) әкелетінін көрсетті. изотропия*, бұл фотонды тізбектер үшін маңызды қасиет.
Изотропия* — барлық бағытта бірдей физикалық қасиеттер.
Кельвин көбігі мен C15 көбіктері де PBG тұрғысынан жақсы жұмыс істеді, бірақ олар бұл жағынан Ware-Phelan құрылымынан төмен болды.
Осыған ұқсас зерттеулер бұрын жүргізілген, бірақ олар екі өлшемді құрғақ көбікке бағытталған. Содан кейін екі өлшемді аморфты құрғақ көбік тек көлденең электрлік поляризация үшін PBG көрсетеді. Мәселе мынада, XNUMXD көбікте екі поляризация бар.
Потенциалды қиындықтарға қарамастан, зерттеушілердің пікірінше, 30D көбік фотоника саласындағы перспективалық материал деп санауға болады. Мұның себебі бар: Плато заңдары шеттердің тек тетраэдрлік шыңдарды құрайтынын қамтамасыз етеді. Және бұл фотоникалық желілер үшін үлкен плюс. Мұның жарқын мысалы - XNUMX% PBG бар гауһар.
Көбік алмаз торының координаттарының тетраэдрлік қасиетіне ие, бірақ оның жиектері қисық болуымен және байланыс ұзындықтары сәл тең емес болуымен ерекшеленеді. Мұндай айырмашылықтар фотондық қасиеттерге қалай және қаншалықты әсер ететінін анықтау ғана қалады.
Егер 17D құрғақ көбіктің қабырғалары қалыңырақ етілсе, өздігінен құрастырылған фотоникалық кристалдардың типтік үлгілерімен салыстырылатын немесе олардан жоғары XNUMX%-ға дейінгі айқын фотонды PBG көрсететін фотонды желілерді (төмендегі суреттер) жасауға болады.
№1 сурет: Ware-Phelan құрылымының (сол жақта), Келвин құрылымының (орталық) және C15 көбікінің (оң жақта) жиектерін қалыңдату арқылы алынған фотонды көбік желілері.
Мұндай модельді тәжірибеде енгізу үшін құрғақ көбік алдымен кристалдануы керек, содан кейін диэлектрлік материалмен қапталған. Әрине, көбіктің PBG фотонды кристалға қарағанда төмен болады, бірақ бұл кемшілікті бірқатар артықшылықтар арқылы жеңуге болады. Біріншіден, көбікті өздігінен ұйымдастыру үлкен үлгілерді жылдам өндіруге мүмкіндік береді. Екіншіден, алдыңғы зерттеулерге негізделген фотонды көбік гетероструктуралары қолданудың кең ауқымына ие болуы мүмкін.
Зерттеу нәтижелері
Ең алдымен құрғақ көбікті зерттеу қажет болды, ол фазааралық аймақтың жергілікті минимумдары ретінде анықталады моншақ* соңғы геометрия Плато заңдарына бағынатындай көлемдік шектеулерге байланысты.
Моссельдік* - ұшақты саңылау қалдырмай, бүкіл жазықтықты толығымен жабатын құрамдас бөліктерге бөлу.
Ware-Phelan, Kelvin және C15 көбіктерін жасау үшін ғалымдар сәйкесінше BCC, A15 немесе C15 кристалдары үшін салмақты Вороной тесселлерінен бастады.
Вороной диаграммасы
Параметрлер барлық бөлу ұяшықтарының көлемі бірдей болатындай етіп таңдалды.
Көбіктердің қисық жиектерінен және олардың алдыңғыларының түзу тескелді жиектерінен түзілген желілер зерттелді. Көбіктің барлық түрлерінің топологиясын бағалау үшін, сақина статистикасы*.
Қоңырау статистикасы (сақина статистикасы)*Желілік материалдардың (сұйықтар, кристалдық немесе аморфты жүйелер) топологиялық сипаттамаларын талдау көбінесе атомдар үшін түйіндерді және атом аралық байланыстар үшін байланыстарды пайдалану арқылы графикалық теорияға негізделген. Екі түйіннің арасындағы байланыстың жоқтығы немесе бар болуы жүйенің толық және жартылай радиалды таралу функцияларын талдау арқылы анықталады. Желілік материалда бір-бірімен қабаттаспай тізбектей қосылған түйіндер мен буындардың тізбегі жол деп аталады. Осы анықтамадан кейін сақина жай ғана жабық жол болып табылады. Белгілі бір желі түйінін мұқият зерттесеңіз, бұл түйіннің көптеген сақиналарға қатыса алатынын көруге болады. Бұл сақиналардың әрқайсысы өз өлшемдерімен сипатталады және оны құрайтын түйіндер мен буындар арасындағы қатынастар негізінде жіктелуі мүмкін.
Сақинаны анықтаудың бірінші әдісін Ширли У.Кинг берген. Шыны тәрізді SiO2 қосылысын зерттеу үшін ол сақинаны берілген түйіннің екі жақын көршілері арасындағы ең қысқа жол ретінде анықтайды.
Қарастырылып отырған зерттеу жағдайында бірлік ұяшықтағы бір шыңға ең қысқа сақиналар санына есептеулер жүргізілді.
Келвин үлгісіндегі бір ұяшықта әр шыңында 2 шаршы және 4 алтыбұрыш бар, бірақ TCP (тетраэдрлік тығыз оралған) көбіктің тек бесбұрышты және алтыбұрышты беттері бар (орташа: Ware-Phelan көбікінде 5.2 және 0.78; C5.3 көбікте 0.71 және 15). Voronoi tessellations A15 және C15 - ең үлкен және ең аз жиектер саны бар TCP құрылымдары (f) 1 ұяшыққа. Осылайша, Ware-Phelan құрылымы беттердің ең көп санына ие (f = 13 + 1/2), ал C15 - беттердің ең аз саны (f = 13 + 1/3).
Теориялық дайындықты аяқтаған ғалымдар құрғақ көбік қабырғаларына негізделген фотондық желіні модельдеуге кірісті, яғни. көбік-фотонды желі. PBG мәні 20% болғанда жүйе өнімділігі барынша жоғарылайтыны анықталды, бірақ 15% болғанда Ware-Phelan көбігі тұрақсыз болады. Осы себепті ғалымдар дымқыл көбікті қарастырған жоқ, онда Үстірттің шекаралары үш жармалы көлденең қималар бар. Оның орнына ғалымдар қабырғалардың қалыңдығын біртіндеп арттыра алатын құрғақ көбік құрылымдарына назар аударылды.
Сонымен қатар, әрбір жиек сфероцилиндрдің (капсула) медиальды осі болып табылады, мұнда радиус баптау параметрі болып табылады.
Зерттеушілер мұндай көбік желілері сөзбе-сөз мағынада көбік емес екенін еске салады, бірақ олардың баяндамасында қарапайымдылық үшін олар «көбік» немесе «көбік желі» деп аталады.
Модельдеу кезінде параметр ескерілді ɛ (диэлектрлік контраст) - жоғары және төмен оқшаулау мәндері бар материалдардың диэлектрлік тұрақтыларының үлесі. Диэлектрлік контраст 13 пен 1 арасында деп есептеледі, ол әдебиетте әртүрлі фотонды материал конструкцияларының өнімділігін салыстыру кезінде стандарт ретінде жиі қолданылады.
Әрбір желі үшін шеттердің (сфероцилиндрлердің) радиусы жолақ саңылауының және оның ортасының максималды қатынасы үшін оңтайландырылған: ∆ω/ωm, мұндағы ∆ω жиілік жолағы ені, және ωm — аймақ ішіндегі жиілік.
№2 сурет: Ware-Phelan көбікінің (қызыл), Кельвин көбікінің (көк) және C15 көбікінің (жасыл) фотонды аймақтық құрылымы.
Әрі қарай, PBG өлшемдері өлшенді және мыналар анықталды: Кельвин көбігі үшін 7.7%, C13.0 көбігі үшін 15% және Ware-Phelan көбігі үшін 16.9%. Ауданды азайту PBG өлшемін 0.7%, 0.3 немесе 1.3% арттырады.
Талдау нәтижесінде белгілі болғандай, TCP желілері Келвин желілеріне қарағанда PBG өлшемдері әлдеқайда үлкен. Екі TCP желісінің ішінде Ware-Phelan көбік диапазонының ең үлкен өлшеміне ие, бұл сілтеме ұзындығының азырақ өзгеруіне байланысты. Ғалымдар байланыс ұзындығындағы айырмашылықтар олардың жүйесіндегі негізгі себеп болуы мүмкін деп санайды, т. Ware-Phelan көбікте PBG алмазға (31.6%) немесе Laves жүйесіне (28.3%) қарағанда аз.
Фотоникадағы бірдей маңызды аспект - ерікті пішіндегі толқын өткізгіштерді жасауға мүмкіндік беретін PBG изотропиясы. Фотонды квазикристалдар, сондай-ақ аморфты фотонды желілер классикалық фотонды кристалдарға қарағанда изотропты.
Зерттелетін көбік-фотоникалық құрылым да изотроптылықтың жоғары дәрежесіне ие. Төменде анизотропия коэффициентін анықтауға арналған формула (яғни, белгілі бір ортаның қасиеттерінің айырмашылық дәрежесі) PBG (А):
A: = (√Var[ωHDB]+Var[ωLAB]) / ωm
С15 көбігі ең төменгі анизотропияға ие (1.0%), одан кейін Вейр-Фелан көбігі (1.2%) анықталды. Демек, бұл құрылымдар жоғары изотропты.
Бірақ Кельвин құрылымы 3.5% анизотропия коэффициентін көрсетеді, бұл Лавс жүйесінің (3.4%) және алмаздың (4.2%) деңгейіне өте жақын. Дегенмен, тіпті бұл көрсеткіштер ең нашар емес, өйткені анизотропия коэффициенті 8.8% және 9.7% алтыбұрышты алмазды желілері бар қарапайым текше жүйелер де бар.
Іс жүзінде, PBG максималды мәніне жету қажет болғанда, кейде құрылымның белгілі бір физикалық параметрлерін өзгерту қажет. Бұл жағдайда бұл параметр сфероцилиндрлердің радиусы болып табылады. Ғалымдар математикалық есептеулер жүргізді, онда олар фотондық жолақ саңылауы мен оның ені арасындағы байланысты функция ретінде анықтады ɛ. Әрбір алынған мән үшін радиус ∆ максимумға дейін оңтайландырылдыω/ωм.
No 3 сурет: зерттелетін көбік желілерінің (C15, Kelvin, Weir-Phelan) ∆ω/ωm және басқа құрылымдардың (алмас, алтыбұрышты гауһар, Laves, SC - қалыпты текше) салыстыру.
Weir-Phelan көбігі диэлектрлік контрастқа дейін 8% рұқсат етілген PBG өлшемдерін сақтайды. ɛ≈9, ал радиус 15% максималды PBG мәніне жету үшін ұлғайтылды. PBG жоғалады ɛ < 6.5. Күтілгендей, гауһар тас құрылымы барлық зерттелген құрылымдар арасында ең үлкен PBG-ге ие.
Зерттеудің нюанстарымен толығырақ танысу үшін мен қарауды ұсынамын и оған.
Эпилогия
Бұл зерттеуді жүргізудің негізгі мотивациясы - көбік желілері толыққанды PBG көрсете алады ма деген сұраққа жауап беру ниеті. Құрғақ көбік құрылымдарының шеттерін фотонды желілерге айналдыру олардың мүмкін екенін көрсетті.
Қазіргі уақытта көбік ерекше зерттелген құрылым емес. Әрине, аморфты желілер бойынша жақсы нәтиже беретін зерттеулер бар, бірақ олар өте кішкентай объектілерде жүргізілді. Жүйе өлшемдері ұлғайған сайын өзін қалай ұстайтыны белгісіз.
Зерттеу авторларының айтуынша, олардың жұмысы болашақ өнертабыстарға көптеген мүмкіндіктер ашады. Көбік табиғатта өте кең таралған және өндіруге оңай, бұл құрылымды практикалық қолдану үшін өте тартымды етеді.
Ғалымдар Интернетті өз зерттеулерінің ең өршіл қосымшаларының бірі деп атайды. Зерттеушілердің өзі айтқандай, оптикалық талшық арқылы деректерді беру жаңалық емес, бірақ жарық әлі де баратын жерінде электр энергиясына айналады. Фотонды диапазонды материалдар кәдімгі талшықты-оптикалық кабельдерге қарағанда жарықты дәлірек бағыттай алады және жарық арқылы есептеулерді орындайтын оптикалық транзисторлар ретінде қызмет ете алады.
Жоспарлар қаншалықты ауқымды болса да, алда әлі де көп жұмыс бар. Дегенмен, зерттеу жүргізудің күрделілігі де, эксперименттерді жүзеге асырудың күрделілігі де ғалымдардың ынта-жігерін және олардың технология әлемін жақсартуға деген ұмтылысын жеңе алмайды.
Қарағаныңызға рахмет, қызықты болыңыз және баршаңызға демалыс күндеріңіз жақсы өтсін! 🙂
Бізбен бірге болғандарыңызға рахмет. Сізге біздің мақалалар ұнайды ма? Қызықты мазмұнды көргіңіз келе ме? Тапсырыс беру немесе достарыңызға ұсыну арқылы бізге қолдау көрсетіңіз, , Habr пайдаланушылары үшін біз сіз үшін ойлап тапқан бастапқы деңгейдегі серверлердің бірегей аналогына 30% жеңілдік: (RAID1 және RAID10, 24 ядроға дейін және 40 ГБ DDR4 дейін қол жетімді).
Dell R730xd 2 есе арзан ба? Тек осында Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 ГГц 6C 128 ГБ DDR3 2x960 ГБ SSD 1 Гбит/с 100 ТБ - 99 доллардан бастап! туралы оқыңыз
Ақпарат көзі: www.habr.com