Kembali pada tahun 1887, ahli fizik Scotland William Thomson mencadangkan model geometri struktur eternya, yang kononnya merupakan medium yang meluas, getaran yang menampakkan diri kepada kita sebagai gelombang elektromagnet, termasuk cahaya. Walaupun kegagalan sepenuhnya teori eter, model geometri terus wujud, dan pada tahun 1993, Denis Ware dan Robert Phelan mencadangkan model struktur yang lebih maju yang mampu mengisi ruang sebanyak mungkin. Sejak itu, model ini kebanyakannya diminati oleh ahli matematik atau artis, tetapi penyelidikan baru-baru ini menunjukkan bahawa ia boleh menjadi asas kepada teknologi masa depan yang menggunakan cahaya dan bukannya elektrik. Apakah buih Ware-Phelan, apakah yang menjadikannya luar biasa, dan bagaimana ia boleh digunakan untuk menangkap cahaya? Kami akan mencari jawapan kepada soalan ini dan soalan lain dalam laporan kumpulan penyelidikan. Pergi.
Asas penyelidikan
Secara harfiah seratus tahun yang lalu dalam komuniti saintifik terdapat teori yang sangat menarik tentang perkara tertentu tentang segala-galanya di sekeliling. Teori ini bertujuan untuk menerangkan sifat gelombang elektromagnet. Adalah dipercayai bahawa eter mengelilingi segala-galanya dan merupakan sumber gelombang ini. Penemuan saintifik yang mengikuti teori eter memusnahkannya sepenuhnya.
William Thomson
Walau bagaimanapun, pada tahun 1887, apabila teori eter penuh dengan kekuatan dan populariti, ramai saintis menyatakan idea mereka mengenai bagaimana sebenarnya eter dapat memenuhi semua ruang. William Thomson, juga dikenali sebagai Lord Kelvin, tidak terkecuali. Dia sedang mencari struktur yang akan memenuhi ruang dengan sempurna supaya tiada kawasan kosong. Pencarian ini kemudiannya dipanggil masalah Kelvin.
Contoh primitif: bayangkan kotak yang mengandungi tin cola. Di antara mereka, disebabkan oleh bentuk silinder, lompang timbul, i.e. ruang yang tidak digunakan.
Thomson, selain percaya bahawa Bumi berusia tidak lebih daripada 40 juta tahun, mencadangkan struktur geometri baru, yang telah diperbaiki oleh Denis Ware dan Robert Phelan, akibatnya ia dinamakan sempena nama mereka.
Struktur Ware-Phelan adalah berdasarkan sarang lebah yang memenuhi ruang dengan polyhedra yang terputus-putus, tidak meninggalkan ruang kosong. Sarang lebah, yang biasanya kita anggap sebagai heksagon terima kasih kepada sarang lebah, sebenarnya terdapat dalam pelbagai bentuk. Terdapat kubik, oktahedral, tetrahedral, rombik dodecahedral, dll.
Struktur Ware-Phelan
Perkara yang luar biasa tentang sarang lebah Ware-Phelan ialah ia terdiri daripada bentuk dan unsur geometri yang berbeza. Pada terasnya, ia adalah buih ideal dengan buih bersaiz sama.
Nenek moyang buih ini adalah yang dicadangkan oleh Lord Kelvin, sudah biasa kepada kita. Walau bagaimanapun, versinya terdiri daripada sarang lebah kubik yang dipendekkan. Struktur Kelvin ialah sarang lebah seragam cembung yang dibentuk oleh oktahedron terpenggal, iaitu polihedron (tetradekahedron) bermuka empat, mengisi ruang, dengan 6 muka persegi dan 8 muka heks.
Pilihan untuk memaksimumkan pengisian ruang ini dianggap ideal selama hampir seratus tahun, sehingga Ware dan Phelan membuka struktur mereka pada tahun 1993.
Pentagondodecahedron dan decahedron
Perbezaan utama antara sarang lebah Ware-Phelan dan pendahulunya ialah penggunaan dua jenis unsur konstituen, yang bagaimanapun, mempunyai isipadu yang sama: pentagondodekahedron (dodekahedron dengan simetri tetrahedral) dan XNUMXhedron dengan simetri putaran.
Dalam kerja yang sedang kita pertimbangkan hari ini, saintis dari Princeton University memutuskan untuk menggunakan buih Ware-Phelan dalam fotonik. Pertama, adalah perlu untuk mengetahui sama ada buih tersebut mempunyai jurang jalur fotonik (PBG), yang menyekat perambatan cahaya dalam semua arah dan untuk semua polarisasi pada julat frekuensi yang luas.
Dalam kajian mereka, saintis menunjukkan bahawa rangkaian fotonik 16,9D berdasarkan buih Ware-Phelan membawa kepada PBG yang ketara (XNUMX%) dengan tahap tinggi isotropi*, yang merupakan sifat penting untuk litar fotonik.
Isotropi* — sifat fizikal yang sama dalam semua arah.
Buih Kelvin dan buih C15 juga menunjukkan prestasi yang baik dari segi PBG, tetapi ia lebih rendah daripada struktur Ware-Phelan dalam hal ini.
Kajian serupa telah dijalankan sebelum ini, tetapi mereka memberi tumpuan kepada buih kering dua dimensi. Kemudian didapati buih kering amorfus dua dimensi mempamerkan PBG hanya untuk polarisasi elektrik melintang. Masalahnya ialah terdapat dua polarisasi dalam buih XNUMXD.
Walaupun terdapat potensi kesukaran, buih 30D boleh dianggap sebagai bahan yang menjanjikan dalam bidang fotonik, menurut para penyelidik. Terdapat sebab untuk ini: Undang-undang Plateau memastikan bahawa tepi membentuk bucu tetrahedral secara eksklusif. Dan ini adalah kelebihan besar untuk rangkaian fotonik. Contoh yang menarik ialah berlian dengan PBG sebanyak XNUMX%.
Buih mempunyai sifat tetrahedral koordinat kekisi berlian, tetapi berbeza kerana ia mempunyai tepi melengkung dan panjang ikatan yang sedikit tidak sama. Ia kekal hanya untuk mengetahui bagaimana dan sejauh mana perbezaan tersebut mempengaruhi sifat fotonik.
Jika rusuk buih kering 17D dibuat lebih tebal, adalah mungkin untuk mencipta rangkaian fotonik (imej di bawah) yang mempamerkan PBG fotonik yang jelas sehingga XNUMX%, setanding atau lebih tinggi daripada contoh tipikal kristal fotonik yang dipasang sendiri.
Imej #1: Rangkaian buih fotonik diperoleh dengan menebalkan tepi struktur Ware-Phelan (kiri), struktur Kelvin (tengah) dan buih C15 (kanan).
Untuk melaksanakan model sedemikian dalam amalan, buih kering mesti terlebih dahulu dihablur dan kemudian disalut dengan bahan dielektrik. Sememangnya, PBG buih akan lebih rendah daripada kristal fotonik, tetapi kelemahan ini boleh diatasi dengan beberapa kelebihan. Pertama, penyusunan sendiri buih mungkin membenarkan pengeluaran sampel besar yang cepat. Kedua, heterostruktur buih fotonik, berdasarkan penyelidikan terdahulu, mungkin mempunyai pelbagai aplikasi yang lebih luas.
Hasil penyelidikan
Pertama sekali, adalah perlu untuk mengkaji buih kering, yang ditakrifkan sebagai minima tempatan kawasan antara muka teselasi* tertakluk kepada kekangan volum, supaya geometri akhir mematuhi undang-undang Plateau.
Teselasi* - membahagikan satah kepada bahagian komponen yang meliputi keseluruhan satah tanpa meninggalkan celah.
Untuk membina buih Ware-Phelan, Kelvin, dan C15, saintis memulakan dengan teselasi Voronoi berwajaran untuk kristal BCC, A15 atau C15, masing-masing.
Gambar rajah Voronoi
Parameter telah dipilih sedemikian rupa sehingga semua sel pemisahan mempunyai volum yang sama.
Rangkaian yang terbentuk daripada tepi melengkung buih dan dari tepi teselasi lurus pendahulunya telah dikaji. Untuk menilai topologi semua jenis buih, statistik cincin*.
Statistik deringan (statistik dering)*Analisis ciri topologi bahan rangkaian (cecair, sistem kristal atau amorfus) selalunya berdasarkan teori graf menggunakan nod untuk atom dan ikatan untuk sambungan interatomik. Ketiadaan atau kewujudan sambungan antara dua nod ditentukan dengan menganalisis fungsi taburan jejari penuh dan separa sistem. Dalam bahan rangkaian, urutan nod dan pautan yang disambungkan secara bersiri tanpa pertindihan dipanggil laluan. Mengikut definisi ini, gelang hanyalah laluan tertutup. Jika anda memeriksa dengan teliti nod rangkaian tertentu, anda boleh melihat bahawa nod ini boleh mengambil bahagian dalam banyak cincin. Setiap cincin ini dicirikan oleh dimensinya sendiri dan boleh dikelaskan berdasarkan hubungan antara nod dan pautan yang membentuknya.
Cara pertama untuk mentakrifkan cincin telah diberikan oleh Shirley W. King. Untuk mengkaji ketersambungan SiO2 berkaca, dia mentakrifkan cincin sebagai laluan terpendek antara dua jiran terdekat bagi nod tertentu.
Dalam kes kajian yang sedang dipertimbangkan, pengiraan dibuat bagi bilangan gelang terpendek setiap bucu dalam sel unit.
Satu sel dalam model Kelvin mempunyai 2 segi empat sama dan 4 heksagon setiap bucu, tetapi buih TCP (tetrahedrally-packed) hanya mempunyai muka pentagonal dan heksagon (purata: 5.2 dan 0.78 dalam buih Ware-Phelan; 5.3 dan 0.71 dalam buih C15). Teselasi Voronoi A15 dan C15 ialah struktur TCP dengan bilangan tepi terbesar dan terkecil (f) setiap 1 sel. Oleh itu, struktur Ware-Phelan mempunyai bilangan muka yang paling banyak (f = 13 + 1/2), dan C15 ialah bilangan muka terkecil (f = 13 + 1/3).
Setelah menyelesaikan penyediaan teori mereka, para saintis mula memodelkan rangkaian fotonik berdasarkan rusuk busa kering, i.e. rangkaian foam-foton. Didapati bahawa pada nilai PBG 20% prestasi sistem dimaksimumkan, tetapi pada 15% buih Ware-Phelan menjadi tidak stabil. Atas sebab ini, saintis tidak menganggap buih basah, di mana sempadan Dataran Tinggi mempunyai keratan rentas tricuspid. Sebaliknya, tumpuan adalah pada struktur buih kering, di mana saintis boleh meningkatkan ketebalan tulang rusuk secara beransur-ansur.
Di samping itu, setiap tepi ialah paksi medial spherocylinder (kapsul), di mana jejari adalah parameter penalaan.
Para penyelidik mengingatkan kita bahawa rangkaian buih tersebut bukanlah buih dalam erti kata literal, tetapi demi kesederhanaan dalam laporan mereka, mereka akan dirujuk sebagai "buih" atau "rangkaian buih."
Semasa simulasi, parameter telah diambil kira ɛ (kontras dielektrik) - bahagian pemalar dielektrik bahan dengan nilai penebat tinggi dan rendah. Kontras dielektrik diandaikan antara 13 dan 1, yang biasanya digunakan dalam kesusasteraan sebagai piawai apabila membandingkan prestasi reka bentuk bahan fotonik yang berbeza.
Untuk setiap rangkaian, jejari tepi (spherocylinders) dioptimumkan untuk nisbah maksimum jurang jalur dan tengahnya: ∆ω/ωm, di mana ∆ω ialah lebar jalur frekuensi, dan ωm — kekerapan dalam zon.
Imej #2: Struktur zon fotonik buih Ware-Phelan (merah), buih Kelvin (biru) dan buih C15 (hijau).
Seterusnya, saiz PBG telah diukur dan didapati: 7.7% untuk buih Kelvin, 13.0% untuk buih C15 dan 16.9% untuk buih Ware-Phelan. Pengurangan kawasan meningkatkan saiz PBG sebanyak 0.7%, 0.3 atau 1.3%.
Memandangkan ia menjadi jelas daripada analisis, rangkaian TCP mempunyai saiz PBG yang jauh lebih besar daripada rangkaian Kelvin. Daripada dua rangkaian TCP, buih Ware-Phelan mempunyai saiz celah jalur terbesar, yang mungkin disebabkan oleh perubahan panjang pautan yang lebih kecil. Para saintis percaya bahawa perbezaan dalam panjang ikatan mungkin menjadi sebab utama mengapa dalam sistem mereka, i.e. dalam buih Ware-Phelan, PBG adalah kurang daripada berlian (31.6%) atau dalam sistem Laves (28.3%).
Aspek yang sama penting dalam fotonik ialah isotropi PBG, yang membolehkan penciptaan pandu gelombang bentuk sewenang-wenangnya. Kuasikristal fotonik, serta rangkaian fotonik amorfus, adalah lebih isotropik daripada kristal fotonik klasik.
Struktur foam-fotonik yang dikaji juga mempunyai tahap isotropi yang tinggi. Di bawah ialah formula untuk menentukan pekali anisotropi (iaitu, tahap perbezaan dalam sifat persekitaran tertentu) PBG (А):
J: = (√Var[ωHDB]+Var[ωLAB]) / ωm
Buih C15 didapati mempunyai anisotropi terendah (1.0%), diikuti oleh buih Weir-Phelan (1.2%). Akibatnya, struktur ini sangat isotropik.
Tetapi struktur Kelvin menunjukkan pekali anisotropi 3.5%, yang agak hampir dengan sistem Laves (3.4%) dan berlian (4.2%). Walau bagaimanapun, walaupun penunjuk ini bukanlah yang paling teruk, kerana terdapat juga sistem kubik mudah dengan pekali anisotropi 8.8% dan rangkaian berlian heksagon dengan 9.7%.
Dalam amalan, apabila perlu untuk mencapai nilai PBG maksimum, kadangkala perlu untuk menukar parameter fizikal struktur tertentu. Dalam kes ini, parameter ini ialah jejari spherocylinders. Para saintis menjalankan pengiraan matematik di mana mereka menentukan hubungan antara jurang jalur fotonik dan lebarnya sebagai fungsi ɛ. Untuk setiap nilai yang diperoleh, jejari telah dioptimumkan untuk memaksimumkan ∆ω/ωm.
Imej No. 3: perbandingan ∆ω/ωm rangkaian buih yang dikaji (C15, Kelvin, Weir-Phelan) dan struktur lain (berlian, berlian heksagon, Laves, SC - padu biasa).
Buih Weir-Phelan mengekalkan saiz PBG yang boleh diterima sebanyak 8% sehingga kontras dielektrik ɛ≈9, dan jejari dinaikkan untuk mencapai nilai PBG maksimum sebanyak 15%. PBG hilang apabila ɛ < 6.5. Seperti yang dijangkakan, struktur berlian mempunyai PBG terbesar di antara semua struktur yang dikaji.
Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat и kepada dia.
Epilog
Motivasi utama untuk menjalankan kajian ini adalah keinginan untuk menjawab persoalan sama ada rangkaian buih boleh menunjukkan PBG sepenuhnya. Menukar tepi struktur buih kering kepada rangkaian fotonik telah menunjukkan bahawa ia boleh.
Pada masa ini, buih bukanlah struktur yang dikaji secara khusus. Sudah tentu, terdapat kajian yang memberikan hasil yang baik dari segi rangkaian amorf, tetapi ia dijalankan pada objek yang sangat kecil. Bagaimana sistem akan bertindak apabila dimensinya meningkat masih tidak jelas.
Menurut pengarang kajian, kerja mereka membuka banyak kemungkinan untuk ciptaan masa depan. Buih sangat biasa dan mudah untuk dihasilkan, menjadikan struktur ini sangat menarik untuk aplikasi praktikal.
Para saintis memanggil Internet sebagai salah satu aplikasi penyelidikan mereka yang paling bercita-cita tinggi. Seperti yang dikatakan oleh penyelidik sendiri, menghantar data melalui gentian optik bukanlah perkara baru, tetapi cahaya masih ditukar kepada elektrik di destinasinya. Bahan celah jalur fotonik boleh mengarahkan cahaya dengan lebih tepat daripada kabel gentian optik konvensional dan boleh berfungsi sebagai transistor optik yang melakukan pengiraan menggunakan cahaya.
Tidak kira betapa hebatnya rancangan itu, masih banyak kerja yang perlu dilakukan. Walau bagaimanapun, baik kerumitan menjalankan penyelidikan mahupun kerumitan melaksanakan eksperimen tidak dapat mengatasi keghairahan saintis dan keinginan mereka untuk menambah baik dunia teknologi.
Terima kasih kerana membaca, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu guys! 🙂
Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, , Diskaun 30% untuk pengguna Habr pada analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang
Sumber: www.habr.com