ProHoster > Blogs > Administrācija > Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls

Tālajā 1887. gadā skotu fiziÄ·is Viljams Tomsons ierosināja savu Ä£eometrisko ētera struktÅ«ras modeli, kas it kā bija visu caurstrāvojoÅ”a vide, kuras vibrācijas mums izpaužas kā elektromagnētiskie viļņi, tostarp gaisma. Neskatoties uz pilnÄ«gu ētera teorijas neveiksmi, Ä£eometriskais modelis turpināja pastāvēt, un 1993. gadā Deniss Vors un Roberts Felans ierosināja progresÄ«vāku struktÅ«ras modeli, kas spēj pēc iespējas vairāk aizpildÄ«t telpu. KopÅ” tā laika Å”is modelis ir interesējis galvenokārt matemātiÄ·us vai māksliniekus, taču jaunākie pētÄ«jumi liecina, ka tas varētu bÅ«t nākotnes tehnoloÄ£iju pamatā, kas izmanto gaismu, nevis elektrÄ«bu. Kas ir Ware-Phelan putas, kas tās padara neparastas un kā tās var izmantot gaismas uztverÅ”anai? Uz Å”iem un citiem jautājumiem atbildes atradÄ«sim pētnieku grupas ziņojumā. Aiziet.

Pētījuma bāze

Burtiski pirms simts gadiem zinātnieku aprindās bija ļoti interesanta teorija par noteiktu visu apkārtējo lietu. Å Ä«s teorijas mērÄ·is bija izskaidrot elektromagnētisko viļņu bÅ«tÄ«bu. Tika uzskatÄ«ts, ka ēteris ieskauj visu un ir Å”o viļņu avots. Zinātniskie atklājumi, kas sekoja ētera teorijai, to pilnÄ«bā iznÄ«cināja.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls
Viljams Tomsons

Tomēr 1887. gadā, kad ētera teorija bija spēka un popularitātes pilna, daudzi zinātnieki izteica savas idejas par to, kā tieÅ”i ēteris varētu aizpildÄ«t visu telpu. Viljams Tomsons, pazÄ«stams arÄ« kā lords Kelvins, nebija izņēmums. ViņŔ meklēja konstrukciju, kas lieliski aizpildÄ«tu telpu, lai nebÅ«tu tukÅ”u laukumu. Å o meklÄ“Å”anu vēlāk sauca par Kelvina problēmu.

PrimitÄ«vs piemērs: iedomājieties kastÄ«ti, kurā ir kolas skārdenes. Starp tiem cilindriskās formas dēļ rodas tukÅ”umi, t.i. neizmantota telpa.

Tomsons, papildus tam, ka uzskatīja, ka Zeme nav vecāka par 40 miljoniem gadu, ierosināja jaunu ģeometrisko struktūru, kuru uzlaboja Deniss Vars un Roberts Felans, kā rezultātā tā tika nosaukta viņu vārdā.

Ware-Phelan struktÅ«ras pamatā ir Ŕūnveida struktÅ«ra, kas aizpilda vietu ar nesadalÄ«tiem daudzskaldņiem, neatstājot tukÅ”u vietu. Å Å«nveida Ŕūnām, ko mēs parasti domājam par seÅ”stÅ«riem, pateicoties Ŕūnām, patiesÄ«bā ir daudz dažādu formu. Ir kubiskais, oktaedris, tetraedris, rombveida dodekaedris utt.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls
Ware-Phelan struktūra

Ware-Phelan Ŕūnveida neparastais ir tas, ka tie sastāv no dažādām Ä£eometriskām formām un elementiem. Tās pamatā ir ideālas vienāda izmēra burbuļu putas.

Å o putu sencis bija mums jau pazÄ«stamais lords Kelvins. Tomēr viņa versija sastāvēja no saÄ«sinātām kubiskām Ŕūnām. Kelvina struktÅ«ra bija izliekta viendabÄ«ga Ŕūnveida struktÅ«ra, ko veidoja noŔķelts oktaedrs, kas ir četrstÅ«ris, telpu aizpildoÅ”s daudzskaldnis (tetradekaedrs) ar 6 kvadrātveida skaldnēm un 8 seÅ”stÅ«ra skaldnēm.

Šī iespēja, lai maksimāli palielinātu telpas piepildījumu, tika uzskatīta par ideālu gandrīz simts gadus, līdz Ware un Phelan atvēra savu struktūru 1993. gadā.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls
Pentagondodekaedrs un dekaedrs

Galvenā atŔķirÄ«ba starp Ware-Phelan Ŕūnveida elementu un tā priekÅ”gājēju ir divu veidu veidojoÅ”o elementu izmantoÅ”ana, kuriem tomēr ir vienāds tilpums: piecsgondodekaedrs (dodekaedrs ar tetraedrisku simetriju) un XNUMX edrs ar rotācijas simetriju.

Darbā, ko mēs Å”odien apsveram, Prinstonas universitātes zinātnieki nolēma fotonikā izmantot Ware-Phelan putas. Pirmkārt, bija jānoskaidro, vai Ŕādām putām ir fotoniskās joslas spraugas (PBG), kas bloķē gaismas izplatÄ«Å”anos visos virzienos un visām polarizācijām plaŔā frekvenču diapazonā.

Savā pētÄ«jumā zinātnieki pierādÄ«ja, ka 16,9D fotoniskais tÄ«kls, kura pamatā ir Ware-Phelan putas, rada ievērojamu PBG (XNUMX%) ar augstu izotropija*, kas ir svarÄ«gs fotonisko ķēžu Ä«paÅ”ums.

Izotropija* ā€” identiskas fizikālās Ä«paŔības visos virzienos.

Kelvina putas un C15 putas arÄ« darbojās labi PBG ziņā, taču Å”ajā ziņā tās bija zemākas par Ware-Phelan struktÅ«ru.

LÄ«dzÄ«gi pētÄ«jumi ir veikti iepriekÅ”, taču tie bija vērsti uz divdimensiju sausām putām. Pēc tam tika konstatēts, ka divdimensiju amorfās sausās putas uzrāda PBG tikai Ŕķērsvirziena elektriskajai polarizācijai. Problēma ir tā, ka XNUMXD putām ir divas polarizācijas.

Neskatoties uz iespējamām grÅ«tÄ«bām, 30D putas var uzskatÄ«t par daudzsoloÅ”u materiālu fotonikas jomā, norāda pētnieki. Tam ir iemesls: Plato likumi nodroÅ”ina, ka malas veido tikai tetraedriskas virsotnes. Un tas ir liels pluss fotoniskajiem tÄ«kliem. Spilgts piemērs tam ir dimants ar PBG XNUMX%.

Putām ir dimanta režģa koordinātu tetraedriska Ä«paŔība, taču tā atŔķiras ar to, ka tām ir izliektas malas un nedaudz nevienlÄ«dzÄ«gi saiÅ”u garumi. Atliek tikai noskaidrot, kā un cik lielā mērā Ŕādas atŔķirÄ«bas ietekmē fotoniskās Ä«paŔības.

Ja 17D sauso putu ribas tiek padarÄ«tas biezākas, ir iespējams izveidot fotoniskus tÄ«klus (attēli zemāk), kas uzrāda izteiktus fotoniskos PBG lÄ«dz XNUMX%, kas ir salÄ«dzināmi vai labāki par tipiskiem paÅ”montētu fotonisko kristālu piemēriem.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls
1. attēls: fotonisko putu tīkli, kas iegūti, sabiezinot Ware-Phelan struktūras malas (pa kreisi), Kelvina struktūru (centrā) un C15 putas (pa labi).

Lai Ä«stenotu Ŕādu modeli praksē, sausās putas vispirms ir jākristalizē un pēc tam jāpārklāj ar dielektrisku materiālu. Protams, putu PBG bÅ«s mazāks nekā fotoniskajam kristālam, taču Å”o trÅ«kumu var novērst ar vairākām priekÅ”rocÄ«bām. Pirmkārt, putu paÅ”organizācija var ļaut ātri ražot lielus paraugus. Otrkārt, fotonisko putu heterostruktÅ«rām, pamatojoties uz iepriekŔējiem pētÄ«jumiem, var bÅ«t plaŔāks pielietojums.

Pētījuma rezultāti

Pirmkārt, bija nepiecieÅ”ams izpētÄ«t sausās putas, kas tiek definētas kā interfeisa reÄ£iona lokālie minimumi teselācija* pakļaujas apjoma ierobežojumiem, lai galÄ«gā Ä£eometrija atbilstu Plato likumiem.

Tesellation* - plaknes sadalīŔana detaļās, kas pilnībā pārklāj visu plakni, neatstājot atstarpes.

Lai izveidotu Ware-Phelan, Kelvin un C15 putas, zinātnieki sāka ar svērtām Voronoi tesellācijām attiecīgi BCC, A15 vai C15 kristāliem.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls
Voronoi diagramma

Parametri tika izvēlēti tā, lai visām atdalÄ«Å”anas Ŕūnām bÅ«tu vienāds tilpums.

Tika pētÄ«ti tÄ«kli, kas veidojas no putuplasta izliektajām malām un no to priekÅ”teču taisnām teselācijas malām. Lai novērtētu visu veidu putu topoloÄ£iju, gredzenu statistika*.

Gredzenu statistika (zvana statistika)*TÄ«kla materiālu (Ŕķidrumu, kristālisku vai amorfu sistēmu) topoloÄ£isko raksturlielumu analÄ«ze bieži balstās uz grafu teoriju, izmantojot mezglus atomiem un saites starpatomu savienojumiem. Savienojuma neesamÄ«ba vai esamÄ«ba starp diviem mezgliem tiek noteikta, analizējot sistēmas pilnā un daļējā radiālā sadalÄ«juma funkcijas. TÄ«kla materiālā virknē bez pārklāŔanās savienotu mezglu un saiÅ”u secÄ«bu sauc par ceļu. Saskaņā ar Å”o definÄ«ciju gredzens ir vienkārÅ”i slēgts ceļŔ. Ja rÅ«pÄ«gi izpētÄ«sit noteiktu tÄ«kla mezglu, jÅ«s varat redzēt, ka Å”is mezgls var piedalÄ«ties daudzos gredzenos. Katram no Å”iem gredzeniem ir raksturÄ«gi savi izmēri, un tos var klasificēt, pamatojoties uz attiecÄ«bām starp mezgliem un saitēm, kas to veido.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls

Pirmo veidu, kā definēt gredzenu, sniedza Šērlija V. Kinga. Lai izpētītu stiklveida SiO2 savienojamību, viņa definē gredzenu kā īsāko ceļu starp diviem tuvākajiem konkrētā mezgla kaimiņiem.

AplÅ«kojamā pētÄ«juma gadÄ«jumā tika veikti aprēķini par Ä«sāko gredzenu skaitu uz vienu virsotni vienÄ«bas Ŕūnā.

Vienai Ŕūnai Kelvina modelÄ« ir 2 kvadrāti un 4 seÅ”stÅ«ri vienā virsotnē, bet TCP (tetraedriski cieÅ”i iepakotas) putām ir tikai piecstÅ«ra un seÅ”stÅ«ra virsmas (vidēji: 5.2 un 0.78 Ware-Phelan putās; 5.3 un 0.71 C15 putās). Voronoi teselācijas A15 un C15 ir TCP struktÅ«ras ar lielāko un mazāko malu skaitu (f) uz 1 Ŕūnu. Tādējādi Ware-Phelan struktÅ«rai ir vislielākais seju skaits (f = 13 + 1/2), un C15 ir mazākais skaldņu skaits (f = 13 + 1/3).

Pabeidzot teorētisko sagatavoÅ”anos, zinātnieki sāka modelēt fotonisko tÄ«klu, kas balstÄ«ts uz sausām putu ribām, t.i. putu-fotonu tÄ«kls. Tika konstatēts, ka pie PBG vērtÄ«bas 20% sistēmas veiktspēja tiek maksimāli palielināta, bet pie 15% Ware-Phelan putas kļūst nestabilas. Å Ä« iemesla dēļ zinātnieki nav apsvēruÅ”i mitrās putas, kur plato robežām ir trÄ«skārÅ”s Ŕķērsgriezums. Tā vietā galvenā uzmanÄ«ba tika pievērsta sausu putu konstrukcijām, kur zinātnieki varēja pakāpeniski palielināt ribu biezumu.

Turklāt katra mala ir sferocilindra (kapsulas) mediālā ass, kur rādiuss ir regulÄ“Å”anas parametrs.

Pētnieki atgādina, ka Ŕādi putu tÄ«kli nav putas tieŔā nozÄ«mē, bet vienkārŔības labad ziņojumā tie tiks saukti par "putu" vai "putu tÄ«klu".

Simulācijas laikā parametrs tika ņemts vērā ɛ (dielektriskais kontrasts) - materiālu ar augstu un zemu izolācijas vērtību dielektrisko konstantu īpatsvars. Tiek pieņemts, ka dielektriskais kontrasts ir no 13 līdz 1, ko literatūrā parasti izmanto kā standartu, salīdzinot dažādu fotonisko materiālu dizainu veiktspēju.

Katram tÄ«klam malu (sferocilindru) rādiuss ir optimizēts maksimālajai joslas spraugas un tās vidus attiecÄ«bai: āˆ†Ļ‰/Ļ‰m, kur āˆ†Ļ‰ ir frekvenču joslas platums un Ļ‰m ā€” frekvence zonā.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls
2. attēls: Ware-Phelan putu (sarkana), Kelvina putu (zila) un C15 putu (zaļa) fotoniskā zonālā struktūra.

Pēc tam tika izmērÄ«ti PBG izmēri un konstatēts, ka tie ir: 7.7% Kelvina putām, 13.0% C15 putām un 16.9% Ware-Phelan putām. Apgabala minimizÄ“Å”ana palielina PBG izmēru par 0.7%, 0.3 vai 1.3%.

Kā kļuva skaidrs no analÄ«zes, TCP tÄ«kliem ir daudz lielāki PBG izmēri nekā Kelvina tÄ«kliem. No diviem TCP tÄ«kliem Ware-Phelan putām ir lielākais joslas spraugas izmērs, kas, iespējams, ir saistÄ«ts ar mazākām saites garuma izmaiņām. Zinātnieki uzskata, ka saiÅ”u garumu atŔķirÄ«bas var bÅ«t galvenais iemesls, kāpēc viņu sistēmā, t.i. Ware-Phelan putās PBG ir mazāk nekā dimantā (31.6%) vai Laves sistēmā (28.3%).

Tikpat svarīgs aspekts fotonikā ir PBG izotropija, kas ļauj izveidot patvaļīgas formas viļņvadus. Fotoniskie kvazikristāli, kā arī amorfie fotoniskie tīkli ir izotropiskāki nekā klasiskie fotoniskie kristāli.

PētÄ«tajai putu-fotoniskajai struktÅ«rai ir arÄ« augsta izotropijas pakāpe. Zemāk ir formula anizotropijas koeficienta (t.i., noteiktas vides Ä«paŔību atŔķirÄ«bas pakāpes) noteikÅ”anai PBG (Š):

A: = (āˆšVar[Ļ‰HDB]+Var[Ļ‰LAB]) / Ļ‰m

Tika konstatēts, ka C15 putām ir viszemākā anizotropija (1.0%), kam seko Weir-Phelan putas (1.2%). LÄ«dz ar to Ŕīs struktÅ«ras ir ļoti izotropiskas.

Bet Kelvina struktÅ«ra uzrāda anizotropijas koeficientu 3.5%, kas ir diezgan tuvu Laves sistēmas (3.4%) un dimanta (4.2%) koeficientam. Taču arÄ« Å”ie rādÄ«tāji nav tie sliktākie, jo ir arÄ« vienkārÅ”as kubiskās sistēmas ar anizotropijas koeficientu 8.8% un seÅ”stÅ«ra dimantu tÄ«kli ar 9.7%.

Praksē, kad nepiecieÅ”ams sasniegt maksimālo PBG vērtÄ«bu, dažkārt ir jāmaina noteikti struktÅ«ras fizikālie parametri. Å ajā gadÄ«jumā Å”is parametrs ir sferocilindru rādiuss. Zinātnieki veica matemātiskos aprēķinus, kuros noteica saistÄ«bu starp fotoniskās joslas spraugu un tās platumu kā funkciju ɛ. Katrai iegÅ«tajai vērtÄ«bai rādiuss tika optimizēts, lai maksimāli palielinātu āˆ†Ļ‰/Ļ‰m.

Kā noķert gaismu ar putām: putu-fotoniskais tīkls
Attēls Nr.3: pētāmo putu tÄ«klu (C15, Kelvin, Weir-Phelan) un citu struktÅ«ru (dimants, seÅ”stÅ«ra dimants, Laves, SC - regulārs kubiskais) āˆ†Ļ‰/Ļ‰m salÄ«dzinājums.

Weir-Phelan putas saglabā pieņemamus PBG izmērus no 8% lÄ«dz dielektriskajam kontrastam ɛā‰ˆ9, un rādiuss tika palielināts, lai sasniegtu maksimālo PBG vērtÄ«bu 15%. PBG pazÅ«d, kad ɛ < 6.5. Kā gaidÄ«ts, dimanta struktÅ«rai ir lielākais PBG starp visām pētÄ«tajām struktÅ«rām.

Detalizētākai iepazÄ«Å”anai ar pētÄ«juma niansēm iesaku aplÅ«kot ziņo zinātnieki Šø Papildu materiāli viņam.

Epilogs

Galvenā motivācija Ŕī pētÄ«juma veikÅ”anai ir vēlme atbildēt uz jautājumu, vai putu tÄ«kli var demonstrēt pilnvērtÄ«gu PBG. Sauso putu konstrukciju malu pārvērÅ”ana fotoniskajos tÄ«klos ir parādÄ«jusi, ka tās var.

Å obrÄ«d putas nav Ä«paÅ”i pētÄ«ta struktÅ«ra. Protams, ir pētÄ«jumi, kas dod labus rezultātus amorfo tÄ«klu ziņā, taču tie tika veikti uz ārkārtÄ«gi maziem objektiem. Joprojām nav skaidrs, kā sistēma izturēsies, palielinoties tās izmēriem.

Pēc pētÄ«juma autoru domām, viņu darbs paver daudzas iespējas nākotnes izgudrojumiem. Putuplasts ir ļoti izplatÄ«ts dabā, un to ir viegli ražot, padarot Å”o struktÅ«ru ļoti pievilcÄ«gu praktiskiem lietojumiem.

Zinātnieki internetu sauc par vienu no vērienÄ«gākajiem viņu pētÄ«jumu lietojumiem. Kā saka paÅ”i pētnieki, datu pārraide pa optisko Ŕķiedru nav nekas jauns, taču gaisma galamērÄ·Ä« joprojām tiek pārvērsta elektrÄ«bā. Fotoniskie joslas spraugas materiāli var virzÄ«t gaismu daudz precÄ«zāk nekā parastie optiskās Ŕķiedras kabeļi un var kalpot kā optiskie tranzistori, kas veic aprēķinus, izmantojot gaismu.

Lai cik grandiozi bÅ«tu plāni, darba vēl ir daudz. Tomēr ne pētÄ«jumu veikÅ”anas sarežģītÄ«ba, ne eksperimentu Ä«stenoÅ”anas sarežģītÄ«ba nevar pārvarēt zinātnieku entuziasmu un vēlmi uzlabot tehnoloÄ£iju pasauli.

Paldies, ka skatÄ«jāties, esiet ziņkārÄ«gs un lai visiem jauka nedēļas nogale! šŸ™‚

Paldies, ka palikāt kopā ar mums. Vai jums patīk mūsu raksti? Vai vēlaties redzēt interesantāku saturu? Atbalsti mūs, pasūtot vai iesakot draugiem, mākoņa VPS izstrādātājiem no 4.99 USD, 30% atlaide Habr lietotājiem unikālam sākuma līmeņa serveru analogam, ko mēs jums izgudrojām: Visa patiesība par VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 kodoli) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps no 20$ vai kā koplietot serveri? (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 reizes lētāk? Tikai Å”eit 2x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV no 199$ NÄ«derlandē! Dell R420 ā€” 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā€” no 99 USD! LasÄ«t par Kā izveidot infrastruktÅ«ras uzņēmumu klase ar Dell R730xd E5-2650 v4 serveru izmantoÅ”anu 9000 eiro par santÄ«mu?

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru