Lura fl-1887, il-fiżiku Skoċċiż William Thomson ippropona l-mudell ġeometriku tiegħu ta 'l-istruttura ta' l-etere, li allegatament kien mezz li jxerred kollox, li l-vibrazzjonijiet tiegħu jimmanifestaw ruħhom lilna bħala mewġ elettromanjetiku, inkluż id-dawl. Minkejja l-falliment sħiħ tat-teorija tal-etere, il-mudell ġeometriku baqa’ jeżisti, u fl-1993, Denis Ware u Robert Phelan ipproponew mudell aktar avvanzat ta’ struttura li kapaċi timla l-ispazju kemm jista’ jkun. Minn dakinhar, dan il-mudell kien ta’ interess l-aktar għal matematiċi jew artisti, iżda riċerka reċenti wriet li jista’ jifforma l-bażi ta’ teknoloġiji futuri li jużaw id-dawl minflok l-elettriku. X'inhu ragħwa Ware-Phelan, x'jagħmilha mhux tas-soltu, u kif tista 'tintuża biex jaqbad id-dawl? Insibu tweġibiet għal dawn u mistoqsijiet oħra fir-rapport tal-grupp ta’ riċerka. Mur.
Bażi tar-riċerka
Litteralment mitt sena ilu fil-komunità xjentifika kien hemm teorija interessanti ħafna dwar ċerta kwistjoni ta 'kollox madwar. Din it-teorija kienet immirata biex tispjega n-natura tal-mewġ elettromanjetiku. Kien maħsub li l-etere jdawwar kollox u huwa s-sors ta 'dawn il-mewġ. L-iskoperti xjentifiċi li segwew it-teorija tal-etere qerduha kompletament.
William Thomson
Madankollu, fl-1887, meta t-teorija ta 'l-etere kienet mimlija saħħa u popolarità, ħafna xjenzati esprimew l-ideat tagħhom dwar kif eżattament l-etere jista' jimla l-ispazju kollu. William Thomson, magħruf ukoll bħala Lord Kelvin, ma kienx eċċezzjoni. Kien ifittex struttura li timla perfettament l-ispazju biex ma jkunx hemm żoni vojta. Din it-tfittxija aktar tard kienet imsejħa l-problema Kelvin.
Eżempju primittiv: immaġina kaxxa li fiha laned tal-kola. Bejniethom, minħabba l-forma ċilindrika, jinqalgħu vojt, i.e. spazju mhux użat.
Thomson, minbarra li emmen li d-Dinja ma kellhiex aktar minn 40 miljun sena, ippropona struttura ġeometrika ġdida, li ġiet imtejba minn Denis Ware u Robert Phelan, u b’riżultat tagħha ngħatat l-isem tagħhom.
L-istruttura Ware-Phelan hija bbażata fuq xehda li timla l-ispazju b'polyhedra disjoint, u ma tħalli l-ebda spazju vojt. Ix-xehda, li normalment naħsbu bħala eżagoni grazzi għax-xehda, fil-fatt jiġi f'ħafna forom differenti. Hemm dodecahedral kubu, octahedral, tetrahedral, rhombic, eċċ.
Struttura Ware-Phelan
Il-ħaġa mhux tas-soltu dwar ix-xehda Ware-Phelan hija li jikkonsistu f'forom u elementi ġeometriċi differenti. Fil-qalba tagħha, hija fowm ideali ta 'bżieżaq ta' daqs ugwali.
L-antenat ta 'dan ir-ragħwa kien dak propost minn Lord Kelvin, diġà familjari għalina. Madankollu, il-verżjoni tiegħu kienet tikkonsisti f'xehda kubi mqassra. L-istruttura Kelvin kienet xehda uniformi konvessa ffurmata minn ottaedru maqtugħ, li huwa polyhedron b'erba' uċuħ, li jimla l-ispazju (tetradecahedron), b'6 uċuħ kwadri u 8 uċuħ hex.
Din l-għażla biex timmassimizza l-mili tal-ispazju kienet ikkunsidrata ideali għal kważi mitt sena, sakemm Ware u Phelan fetħu l-istruttura tagħhom fl-1993.
Pentagondodecahedron u decahedron
Id-differenza ewlenija bejn ix-xehda Ware-Phelan u l-predeċessur tagħha hija l-użu ta 'żewġ tipi ta' elementi kostitwenti, li, madankollu, għandhom l-istess volum: pentagondodecahedron (dodecahedron b'simetrija tetrahedral) u 14hedron b'simetrija rotazzjonali.
Fix-xogħol li qed nikkunsidraw illum, xjenzati mill-Università ta 'Princeton iddeċidew li jużaw fowm Ware-Phelan fil-fotonika. L-ewwel, kien meħtieġ li ssir taf jekk foams bħal dawn għandhomx lakuni tal-faxxa fotonika (PBGs), li jimblukkaw il-propagazzjoni tad-dawl fid-direzzjonijiet kollha u għall-polarizzazzjonijiet kollha fuq firxa wiesgħa ta 'frekwenzi.
Fl-istudju tagħhom, ix-xjentisti wrew li netwerk fotoniku 16,9D ibbażat fuq fowm Ware-Phelan iwassal għal PBG sinifikanti (XNUMX%) bi grad għoli ta’ iżotropija*, li hija proprjetà importanti għal ċirkwiti fotoniċi.
Isotropija* — proprjetajiet fiżiċi identiċi fid-direzzjonijiet kollha.
Fowm Kelvin u fowm C15 ukoll wettqu tajjeb f'termini ta 'PBG, iżda kienu inferjuri għall-istruttura Ware-Phelan f'dan ir-rigward.
Studji simili saru qabel, iżda ffukaw fuq fowm niexef bidimensjonali. Imbagħad instab li fowm niexef amorfu bidimensjonali juri PBG biss għal polarizzazzjoni elettrika trasversali. Il-problema hija li hemm żewġ polarizzazzjonijiet fil-fowm 3D.
Minkejja d-diffikultajiet potenzjali, ir-ragħwa 30D tista 'titqies bħala materjal promettenti fil-qasam tal-fotonika, skond ir-riċerkaturi. Hemm raġuni għal dan: il-liġijiet tal-Plateau jiżguraw li t-truf jiffurmaw vertiċi esklussivament tetraedriċi. U dan huwa vantaġġ kbir għan-netwerks fotoniċi. Eżempju impressjonanti ta 'dan huwa djamant b'PBG ta' XNUMX%.
Ir-ragħwa għandha l-proprjetà tetrahedral tal-koordinati tal-kannizzata tad-djamanti, iżda hija differenti peress li għandha truf mgħawġa u tulijiet ta 'bonds kemmxejn mhux ugwali. Fadal biss biex issir taf kif u sa liema punt tali differenzi jaffettwaw il-proprjetajiet fotoniċi.
Jekk il-kustilji tar-ragħwa niexfa 17D isiru eħxen, huwa possibbli li jinħolqu netwerks fotoniċi (immaġini hawn taħt) li juru PBGs fotoniċi ppronunzjati sa XNUMX%, komparabbli għal jew superjuri għal dawk ta 'eżempji tipiċi ta' kristalli fotoniċi immuntati waħedhom.
Immaġni #1: Netwerks tal-fowm fotoniċi miksuba billi tħaxxin it-truf tal-istruttura Ware-Phelan (xellug), struttura Kelvin (ċentru) u fowm C15 (lemin).
Biex timplimenta mudell bħal dan fil-prattika, ir-ragħwa niexfa trid l-ewwel tiġi kristallizzata u mbagħad miksija b'materjal dielettriku. Naturalment, il-PBG tar-ragħwa se jkun aktar baxx minn dak ta 'kristall fotoniku, iżda dan l-iżvantaġġ jista' jingħeleb b'numru ta 'vantaġġi. L-ewwel, l-awto-organizzazzjoni tar-ragħwa tista 'tippermetti l-produzzjoni rapida ta' kampjuni kbar. It-tieni nett, l-eterostrutturi tal-fowm fotoniku, ibbażati fuq riċerka preċedenti, jista 'jkollhom firxa usa' ta 'applikazzjonijiet.
Riżultati tar-riċerka
L-ewwelnett, kien meħtieġ li jiġi studjat fowm niexef, li huwa definit bħala minimu lokali tar-reġjun interfacial tessellation* suġġett għal restrizzjonijiet ta 'volum, sabiex il-ġeometrija finali tobdi l-liġijiet ta' Plateau.
Tessellation* - tiddividi l-pjan f'partijiet komponenti li jkopru kompletament il-pjan kollu mingħajr ma jħallu vojt.
Biex jibnu r-ragħwa Ware-Phelan, Kelvin, u C15, ix-xjentisti bdew b'tessellazzjonijiet Voronoi peżati għal kristalli BCC, A15, jew C15, rispettivament.
Dijagramma Voronoi
Il-parametri ntgħażlu b'tali mod li ċ-ċelloli ta 'separazzjoni kollha kellhom l-istess volum.
Ġew studjati netwerks iffurmati mit-truf mgħawġa tar-ragħwa u mit-truf dritti tat-tessellation tal-predeċessuri tagħhom. Biex nevalwaw it-topoloġija tat-tipi kollha ta 'ragħwa, użajna statistika taċ-ċirku*.
Statistika taċ-ċirku (statistika taċ-ċirku)*L-analiżi tal-karatteristiċi topoloġiċi tal-materjali tan-netwerk (likwidi, sistemi kristallini jew amorfi) ħafna drabi hija bbażata fuq it-teorija tal-graffs bl-użu ta 'nodi għal atomi u bonds għal konnessjonijiet interatomiċi. L-assenza jew l-eżistenza ta 'konnessjoni bejn żewġ nodi hija determinata billi jiġu analizzati l-funzjonijiet tad-distribuzzjoni radjali sħiħa u parzjali tas-sistema. Fil-materjal tan-netwerk, sekwenza ta 'nodi u links konnessi f'serje mingħajr koinċidenza tissejjaħ mogħdija. Wara din id-definizzjoni, ċirku huwa sempliċement mogħdija magħluqa. Jekk teżamina bir-reqqa node tan-netwerk speċifiku, tista 'tara li dan in-nodu jista' jipparteċipa f'bosta ċrieki. Kull wieħed minn dawn iċ-ċrieki huwa kkaratterizzat mid-dimensjonijiet tiegħu stess u jista 'jiġi kklassifikat abbażi tar-relazzjonijiet bejn in-nodi u r-rabtiet li jiffurmawha.
L-ewwel mod biex jiġi definit ċirku kien mogħti minn Shirley W. King. Biex tistudja l-konnettività ta 'ħġieġ SiO2, hija tiddefinixxi ċirku bħala l-iqsar triq bejn l-eqreb żewġ ġirien ta' nodu partikolari.
Fil-każ ta' l-istudju li qed jiġi kkunsidrat, saru kalkoli tan-numru ta' l-iqsar ċrieki għal kull vertiċi f'ċellula ta' unità.
Ċellula waħda fil-mudell Kelvin għandha 2 kwadri u 4 eżagoni għal kull vertiċi, iżda ragħwa TCP (tetrahedrally close-packed) għandha biss uċuħ pentagonali u eżagonali (medji: 5.2 u 0.78 f'fowm Ware-Phelan; 5.3 u 0.71 f'fowm C15). It-tessuti ta' Voronoi A15 u C15 huma strutturi TCP bl-akbar u bl-iżgħar numru ta' truf (f) għal kull ċellula 1. Għalhekk, l-istruttura Ware-Phelan għandha l-akbar numru ta 'uċuħ (f = 13 + 1/2), u C15 huwa l-iżgħar numru ta’ uċuħ (f = 13 + 1/3).
Wara li temmew il-preparazzjoni teoretika tagħhom, ix-xjenzati bdew jimmudellaw netwerk fotoniku bbażat fuq kustilji niexfa tal-fowm, i.e. netwerk fowm-fotoni. Instab li f'valur PBG ta '20% il-prestazzjoni tas-sistema hija massimizzata, iżda f'15% ir-ragħwa Ware-Phelan issir instabbli. Għal din ir-raġuni, ix-xjentisti ma kkunsidrawx fowm imxarrab, fejn il-konfini tal-Plateau għandhom cross-sections trikuspidi. Minflok, l-enfasi kienet fuq strutturi niexfa tal-fowm, fejn ix-xjentisti setgħu jżidu gradwalment il-ħxuna tal-kustilji.
Barra minn hekk, kull tarf huwa l-assi medjali tal-isferoċilindru (kapsula), fejn ir-raġġ huwa parametru tal-irfinar.
Ir-riċerkaturi jfakkruna li netwerks tal-fowm bħal dawn mhumiex fowm fis-sens letterali, iżda għal raġunijiet ta 'sempliċità fir-rapport tagħhom se jissejħu "fowm" jew "netwerk tal-fowm".
Matul is-simulazzjoni, il-parametru ġie kkunsidrat ɛ (kuntrast dielettriku) - il-proporzjon ta 'kostanti dielettriċi ta' materjali b'valuri ta 'insulazzjoni għoljin u baxxi. Il-kuntrast dielettriku huwa preżunt li huwa bejn 13 u 1, li huwa komunement użat fil-letteratura bħala standard meta titqabbel il-prestazzjoni ta 'disinji ta' materjal fotoniku differenti.
Għal kull netwerk, ir-raġġ tat-truf (spherocylinders) huwa ottimizzat għall-proporzjon massimu tad-distakk tal-medda u n-nofs tiegħu: ∆ω/ωm, fejn ∆ω hija l-wisa' tal-faxxa tal-frekwenza, u ωm — frekwenza fiż-żona.
Immaġni #2: Struttura żonali fotonika tar-ragħwa Ware-Phelan (aħmar), fowm Kelvin (blu), u fowm C15 (aħdar).
Sussegwentement, id-daqsijiet tal-PBG ġew imkejla u nstabu li huma: 7.7% għar-ragħwa Kelvin, 13.0% għar-ragħwa C15 u 16.9% għar-ragħwa Ware-Phelan. Il-minimizzazzjoni taż-żona żżid id-daqs tal-PBG b'0.7%, 0.3 jew 1.3%.
Kif deher ċar mill-analiżi, in-netwerks TCP għandhom daqsijiet PBG ħafna akbar min-netwerks Kelvin. Miż-żewġ netwerks TCP, ir-ragħwa Ware-Phelan għandha l-akbar daqs tal-bandgap, li huwa preżumibbilment minħabba l-bidla iżgħar fit-tul tal-link. Ix-xjentisti jemmnu li d-differenzi fit-tul tal-bonds jistgħu jkunu r-raġuni ewlenija għaliex fis-sistema tagħhom, i.e. fil-fowm Ware-Phelan, PBG huwa inqas milli fid-djamant (31.6%) jew fis-sistema Laves (28.3%).
Aspett ugwalment importanti fil-fotonika hija l-isotropija ta 'PBG, li tippermetti l-ħolqien ta' waveguides ta 'forma arbitrarja. Quasikristalli fotoniċi, kif ukoll netwerks fotoniċi amorfi, huma aktar isotropiċi minn kristalli fotoniċi klassiċi.
L-istruttura tal-fowm-fotonika taħt studju għandha wkoll grad għoli ta 'isotropija. Hawn taħt tinsab il-formula għad-determinazzjoni tal-koeffiċjent tal-anisotropija (jiġifieri, il-grad ta 'differenza fil-proprjetajiet ta' ċertu ambjent) PBG (А):
A: = (√Var[ωHDB]+Var[ωLAB]) / ωm
Fowm C15 instab li kellu l-inqas anisotropija (1.0%), segwit minn fowm Weir-Phelan (1.2%). Konsegwentement, dawn l-istrutturi huma isotropiċi ħafna.
Iżda l-istruttura Kelvin turi koeffiċjent ta 'anisotropija ta' 3.5%, li huwa pjuttost qrib dak tas-sistema Laves (3.4%) u djamant (4.2%). Madankollu, anke dawn l-indikaturi mhumiex l-agħar, minħabba li hemm ukoll sistemi kubi sempliċi b'koeffiċjent ta 'anisotropija ta' 8.8% u netwerks ta 'djamanti eżagonali b'9.7%.
Fil-prattika, meta jkun meħtieġ li jinkiseb il-valur massimu tal-PBG, xi kultant ikun meħtieġ li jinbidlu ċerti parametri fiżiċi tal-istruttura. F'dan il-każ, dan il-parametru huwa r-raġġ tal-isferoċilindri. Ix-xjentisti wettqu kalkoli matematiċi li fihom iddeterminaw ir-relazzjoni bejn id-distakk tal-faxxa fotonika u l-wisa 'tagħha bħala funzjoni ɛ. Għal kull valur miksub, ir-raġġ ġie ottimizzat biex jimmassimizza ∆ω/ωm.
Immaġni Nru 3: paragun ta '∆ω/ωm tan-netwerks tal-fowm studjati (C15, Kelvin, Weir-Phelan) u strutturi oħra (djamant, djamant eżagonali, Laves, SC - kubi regolari).
Il-fowm Weir-Phelan iżomm daqsijiet PBG aċċettabbli ta '8% sa kuntrast dielettriku ɛ≈9, u r-raġġ żdied biex jinkiseb valur massimu ta 'PBG ta' 15%. PBGs jisparixxu meta ɛ < 6.5. Kif mistenni, l-istruttura tad-djamanti għandha l-akbar PBG fost l-istrutturi kollha studjati.
Għal familjarità aktar dettaljata mal-sfumaturi tal-istudju, nirrakkomanda li tħares lejn и lilu.
Epilogue
Il-motivazzjoni ewlenija għat-twettiq ta 'dan l-istudju hija x-xewqa li tingħata risposta għall-mistoqsija dwar jekk in-netwerks tal-fowm jistgħux juru PBG sħiħ. Il-konverżjoni tat-truf tal-istrutturi tal-fowm niexef f'netwerks fotoniċi wriet li jistgħu.
Bħalissa, ir-ragħwa mhix struttura partikolarment studjata. Naturalment, hemm studji li jagħtu riżultati tajbin f'termini ta 'netwerks amorfi, iżda twettqu fuq oġġetti estremament żgħar. Kif se taġixxi s-sistema hekk kif id-dimensjonijiet tagħha jiżdiedu għadu mhux ċar.
Skont l-awturi tal-istudju, ix-xogħol tagħhom jiftaħ ħafna possibbiltajiet għal invenzjonijiet futuri. Ir-ragħwa hija komuni ħafna fin-natura u faċli biex timmanifattura, u tagħmel din l-istruttura attraenti ħafna għal applikazzjonijiet prattiċi.
Ix-xjentisti jsejħu l-Internet bħala waħda mill-applikazzjonijiet l-aktar ambizzjużi tar-riċerka tagħhom. Kif jgħidu r-riċerkaturi nfushom, it-trażmissjoni tad-dejta fuq fibra ottika mhix ġdida, iżda d-dawl għadu kkonvertit f'elettriku fid-destinazzjoni tiegħu. Il-materjali fotoniċi bandgap jistgħu jidderieġu d-dawl b'mod ferm aktar preċiż minn kejbils tal-fibra ottika konvenzjonali u jistgħu jservu bħala transisters ottiċi li jwettqu kalkoli bl-użu tad-dawl.
Ma jimpurtax kemm huma grandjużi l-pjanijiet, għad fadal ħafna xogħol xi jsir. Madankollu, la l-kumplessità tat-twettiq tar-riċerka u lanqas il-kumplessità tal-implimentazzjoni tal-esperimenti ma jistgħu jegħlbu l-entużjażmu tax-xjenzati u x-xewqa tagħhom li jtejbu d-dinja tat-teknoloġija.
Grazzi talli tarah, ibqa' kurjuż u tmiem il-ġimgħa mill-isbaħ lil kulħadd! 🙂
Grazzi talli bqajt magħna. Tħobb l-artikoli tagħna? Trid tara aktar kontenut interessanti? Appoġġuna billi tagħmel ordni jew tirrakkomanda lill-ħbieb, , Roħs ta' 30% għall-utenti ta' Habr fuq analogu uniku ta' servers ta' livell ta' dħul, li ġie ivvintat minna għalik: (disponibbli b'RAID1 u RAID10, sa 24 core u sa 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 darbiet orħos? Hawn biss fl-Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - minn $99! Aqra dwar
Sors: www.habr.com
