Deui dina 1887, fisikawan Skotlandia William Thomson ngusulkeun modél géométri na struktur éter, nu konon mangrupa médium sadaya-pervading, geter nu manifest sorangan ka urang salaku gelombang éléktromagnétik, kaasup cahaya. Sanajan gagalna lengkep téori éter, modél géométri terus aya, sarta dina 1993, Denis Ware jeung Robert Phelan ngajukeun model leuwih maju tina struktur sanggup ngeusian spasi saloba mungkin. Saprak harita, modél ieu geus dipikaresep lolobana matematikawan atawa seniman, tapi panalungtikan panganyarna geus ditémbongkeun yén éta bisa jadi dadasar pikeun téhnologi hareup nu ngagunakeun lampu tinimbang listrik. Naon busa Ware-Phelan, naon anu matak teu biasa, sareng kumaha éta tiasa dianggo pikeun nyekel cahaya? Urang bakal mendakan jawaban kana patarosan ieu sareng patarosan sanésna dina laporan kelompok panalungtikan. indit.
Dasar panalungtikan
Sacara harfiah saratus taun ka tukang di komunitas ilmiah aya téori pisan metot ngeunaan hiji hal nu tangtu sagalana sabudeureun. Téori ieu ditujukeun pikeun ngajelaskeun sifat gelombang éléktromagnétik. Hal ieu dipercaya yén éter ngurilingan sagalana sarta mangrupa sumber gelombang ieu. Penemuan ilmiah anu nuturkeun téori éter ngancurkeun éta.
William Thomson
Sanajan kitu, dina 1887, nalika téori éter pinuh kakuatan sarta popularitas, loba élmuwan dikedalkeun gagasan maranéhanana ngeunaan kumaha kahayang éter bisa ngeusian sakabéh spasi. William Thomson, ogé katelah Lord Kelvin, teu iwal. Anjeunna milarian struktur anu sampurna bakal ngeusian rohangan supados henteu aya daérah kosong. Pilarian ieu engké disebut masalah Kelvin.
Conto primitif: bayangkeun kotak anu ngandung kaléng cola. Antara aranjeunna, alatan bentuk cylindrical, voids timbul, i.e. spasi henteu kapake.
Thomson, salian percaya yén Bumi umurna henteu langkung ti 40 juta taun, ngusulkeun struktur géométri anyar, anu ditingkatkeun ku Denis Ware sareng Robert Phelan, salaku hasil tina éta dingaranan aranjeunna.
Struktur Ware-Phelan dumasar kana sayang madu nu ngeusi spasi kalayan polyhedra disjoint, ninggalkeun euweuh spasi kosong. The sayang madu, nu urang biasana dianggap salaku hexagons berkat sayang madu, sabenerna asalna di loba wangun béda. Aya kubik, octahedral, tetrahedral, rhombic dodecahedral, jsb.
Struktur Ware-Phelan
Hal ilahar ngeunaan honeycombs Ware-Phelan nyaeta aranjeunna diwangun ku wangun geometri béda jeung elemen. Dina inti na, éta mangrupa busa idéal gelembung sarua-ukuran.
Karuhun busa ieu anu diusulkeun ku Lord Kelvin, parantos wawuh ka urang. Sanajan kitu, versi na diwangun ku honeycombs kubik pondok. Struktur Kelvin nyaéta honeycomb seragam convex dibentuk ku octahedron truncated, nu mangrupakeun polyhedron opat rupa, spasi-eusian (tetradecahedron), kalawan 6 beungeut pasagi sarta 8 beungeut hex.
Pilihan ieu pikeun maksimalkeun eusi rohangan dianggap idéal pikeun ampir saratus taun, dugi ka Ware sareng Phelan dibuka strukturna dina 1993.
Pentagondodecahedron sareng decahedron
Beda utama antara sayang madu Ware-Phelan sareng miheulaanna nyaéta ngagunakeun dua jinis unsur konstituén, anu kitu, gaduh volume anu sami: pentagondodecahedron (dodecahedron kalayan simetri tétrahedral) sareng XNUMXhedron kalayan simetri rotasi.
Dina karya urang tempo kiwari, élmuwan ti Princeton Universitas mutuskeun pikeun ngagunakeun busa Ware-Phelan di photonics. Kahiji, perlu pikeun manggihan naha busa misalna boga celah pita fotonik (PBGs), nu meungpeuk rambatan cahaya dina sagala arah sarta pikeun sakabéh polarisasi dina rentang lega frékuénsi.
Dina ulikan maranéhanana, para ilmuwan nunjukkeun yén jaringan fotonik 16,9D dumasar kana busa Ware-Phelan ngabalukarkeun PBG signifikan (XNUMX%) kalawan gelar luhur isotropi*, nu mangrupa sipat penting pikeun sirkuit photonic.
Isotropi* - sipat fisik idéntik dina sagala arah.
Busa Kelvin sareng busa C15 ogé ngalaksanakeun saé dina hal PBG, tapi aranjeunna langkung handap tina struktur Ware-Phelan dina hal ieu.
Panaliti anu sami parantos dilakukeun sateuacana, tapi aranjeunna museurkeun kana busa garing dua diménsi. Ieu lajeng kapanggih yén busa garing amorf dua diménsi némbongkeun PBG ukur keur polarisasi listrik transverse. Masalahna nyaéta aya dua polarisasi dina busa XNUMXD.
Sanajan kasusah poténsial, busa 30D bisa dianggap bahan ngajangjikeun dina widang photonics, nurutkeun peneliti. Aya alesan pikeun ieu: Hukum Plateau mastikeun yén ujung-ujungna ngabentuk simpul tetrahedral sacara éksklusif. Sareng ieu mangrupikeun tambihan anu ageung pikeun jaringan fotonik. Conto anu keuna ieu nyaéta inten kalayan PBG XNUMX%.
Busa boga sipat tétrahedral koordinat kisi inten, tapi béda dina éta mibanda edges melengkung jeung panjangna beungkeut rada unequal. Tetep ngan ukur pikeun milarian kumaha sareng sajauh mana bédana sapertos mangaruhan sipat fotonik.
Lamun tulang rusuk tina busa garing 17D dijieun kandel, kasebut nyaéta dimungkinkeun pikeun nyieun jaringan photonic (gambar handap) nu némbongkeun PBGs photonic diucapkeun nepi ka XNUMX%, comparable atawa punjul kana conto has tina kristal photonic timer dirakit.
Gambar #1: Jaringan busa fotonik diala ku cara ngendelkeun ujung-ujung struktur Ware-Phelan (kénca), struktur Kelvin (tengah) sareng busa C15 (katuhu).
Pikeun nerapkeun modél sapertos kitu dina prakna, busa garing kedah mimiti dikristal teras dilapis ku bahan diéléktrik. Alami, PBG busa bakal leuwih handap tina kristal fotonik, tapi kalemahan ieu bisa diatasi ku sababaraha kaunggulan. Kahiji, timer organisasi busa bisa ngidinan produksi gancang sampel badag. Bréh, heterostructures busa fotonik, dumasar kana panalungtikan saméméhna, bisa boga rentang lega tina aplikasi.
Hasil panilitian
Anu mimiti, ieu diperlukeun pikeun diajar busa garing, nu diartikeun minima lokal wewengkon interfaces tessellation* tunduk kana konstrain volume, ku kituna géométri final taat hukum Plateau urang.
Teselasi* - ngabagi pesawat kana bagian komponén anu lengkep nutupan sakabéh pesawat tanpa ninggalkeun sela.
Pikeun ngawangun busa Ware-Phelan, Kelvin, sareng C15, para ilmuwan dimimitian ku teselasi Voronoi anu beurat pikeun kristal BCC, A15, atanapi C15, masing-masing.
Diagram Voronoi
Parameter dipilih ku cara anu sadayana sél pamisahan gaduh volume anu sami.
Jaringan anu dibentuk tina ujung melengkung tina busa sareng tina ujung teselasi lempeng tina miheulaanna ditaliti. Pikeun meunteun topologi sadaya jinis busa, statistik ring*.
Statistik ring (statistik ring)*Analisis karakteristik topologi bahan jaringan (cairan, kristalin atawa sistem amorf) mindeng dumasar kana téori grafik ngagunakeun titik pikeun atom jeung beungkeut pikeun sambungan interatomic. Henteuna atanapi ayana sambungan antara dua titik ditangtukeun ku analisa fungsi distribusi radial lengkep sareng parsial sistem. Dina bahan jaringan, runtuyan titik jeung link disambungkeun dina runtuyan tanpa tumpang tindihna disebut jalur. Handap definisi ieu, cingcin ngan saukur jalur katutup. Lamun taliti nalungtik titik jaringan husus, Anjeun bisa nempo yén titik ieu bisa ilubiung dina loba cingcin. Unggal cingcin ieu dicirikeun ku diménsi sorangan sarta bisa digolongkeun dumasar kana hubungan antara titik jeung tumbu nu nyieun nepi.
Cara kahiji pikeun nangtukeun cingcin dirumuskeun ku Shirley W. Raja. Pikeun ngulik konektipitas SiO2 kaca, anjeunna ngahartikeun cingcin salaku jalur anu paling pondok antara dua tatangga pangdeukeutna tina titik anu dipasihkeun.
Dina hal ulikan anu ditalungtik, itungan dijieun tina jumlah cingcin pangpendek per vertex dina sél unit.
Hiji sél dina modél Kelvin boga 2 kuadrat sarta 4 hexagons per vertex, tapi TCP (tetrahedral nutup-dipakétkeun) busa boga ukur rupa pentagonal jeung héksagonal (rata-rata: 5.2 jeung 0.78 dina busa Ware-Phelan; 5.3 jeung 0.71 dina busa C15). Téselasi Voronoi A15 sareng C15 mangrupikeun struktur TCP kalayan jumlah sisi pangageungna sareng pangleutikna (f) per 1 sél. Ku kituna, struktur Ware-Phelan boga jumlah panggedena rupa (f = 13 + 1/2), sarta C15 nyaéta jumlah pangleutikna rupa (f = 13 + 1/3).
Sanggeus réngsé persiapan téoritis maranéhanana, para ilmuwan mimiti modeling jaringan fotonik dumasar kana iga busa garing, i.e. jaringan busa-foton. Kapanggih yén dina nilai PBG 20% kinerja sistem maksimal, tapi dina 15% busa Ware-Phelan janten teu stabil. Ku sabab kitu, para ilmuwan henteu nganggap busa baseuh, dimana wates-wates Plateau ngagaduhan bagian melintang tricuspid. Gantina, fokus éta dina struktur busa garing, dimana élmuwan laun bisa ningkatkeun ketebalan tina tulang rusuk.
Sajaba ti éta, unggal ujung nyaéta sumbu medial tina spherocylinder (kapsul), dimana radius mangrupakeun parameter tuning.
Para panalungtik ngingetkeun urang yén jaringan busa sapertos henteu busa dina harti literal, tapi demi kesederhanaan dina laporan maranéhna bakal disebut "busa" atawa "jaringan busa".
Salila simulasi, parameter ieu dicandak ɛ (Kontras diéléktrik) - proporsi konstanta diéléktrik bahan kalayan nilai insulasi luhur jeung low. Kontras diéléktrik dianggap antara 13 jeung 1, nu ilahar dipaké dina literatur salaku standar nalika ngabandingkeun kinerja desain bahan photonic béda.
Pikeun unggal jaringan, radius ujung (spherocylinders) dioptimalkeun pikeun babandingan maksimum celah pita sareng tengahna: ∆ω/ωm, dimana ∆ω nyaéta lebar pita frékuénsi, jeung ωm - frékuénsi dina zona.
Gambar #2: Struktur zonal fotonik busa Ware-Phelan (beureum), busa Kelvin (biru), sareng busa C15 (héjo).
Salajengna, ukuran PBG diukur sarta kapanggih nyaéta: 7.7% pikeun busa Kelvin, 13.0% pikeun busa C15 sarta 16.9% pikeun busa Ware-Phelan. Minimization aréa ngaronjatkeun ukuran PBG ku 0.7%, 0.3 atawa 1.3%.
Kusabab éta jelas tina analisa, jaringan TCP ngagaduhan ukuran PBG anu langkung ageung tibatan jaringan Kelvin. Tina dua jaringan TCP, busa Ware-Phelan boga ukuran bandgap panggedena, nu diduga alatan parobahan leutik dina panjang link. Élmuwan yakin yén béda dina panjangna beungkeut bisa jadi alesan utama naha dina sistem maranéhna, i.e. dina busa Ware-Phelan, PBG kirang ti inten (31.6%) atanapi dina sistem Laves (28.3%).
Aspék anu sami penting dina fotonik nyaéta isotropi PBG, anu ngamungkinkeun nyiptakeun pandu gelombang anu bentukna sawenang-wenang. Kuasikrystal fotonik, kitu ogé jaringan fotonik amorf, leuwih isotropik batan kristal fotonik klasik.
Struktur busa-fotonik anu ditalungtik ogé ngagaduhan tingkat isotropi anu luhur. Di handap ieu rumus pikeun nangtukeun koefisien anisotropi (nyaéta, darajat bédana dina sipat lingkungan nu tangtu) PBG (А):
J: = (√Var[ωHDB]+Var[ωLAB]) / ωm
Busa C15 kapanggih boga anisotropi panghandapna (1.0%), dituturkeun ku busa Weir-Phelan (1.2%). Akibatna, struktur ieu kacida isotropik.
Tapi struktur Kelvin nembongkeun koefisien anisotropi 3.5%, nu rada deukeut jeung sistem Laves (3.4%) jeung inten (4.2%). Sanajan kitu, malah indikator ieu teu awon, sabab aya ogé sistem kubik basajan kalawan koefisien anisotropi 8.8% jeung jaringan inten héksagonal kalawan 9.7%.
Dina prakték, nalika perlu pikeun ngahontal nilai PBG maksimum, kadang perlu ngarobah parameter fisik tangtu struktur. Dina hal ieu, parameter ieu radius spherocylinders. Élmuwan ngalaksanakeun itungan matematis dimana aranjeunna nangtukeun hubungan antara celah pita fotonik sareng lebarna salaku fungsi. ɛ. Pikeun unggal nilai diala, radius ieu dioptimalkeun pikeun maksimalkeun pungsi ∆ω/ωm.
Gambar No.
Busa Weir-Phelan ngajaga ukuran PBG anu bisa ditarima tina 8% nepi ka kontras diéléktrik ɛ≈9, sarta radius ngaronjat pikeun ngahontal nilai PBG maksimum 15%. PBGs ngaleungit nalika ɛ <6.5. Saperti nu diharapkeun, struktur inten boga PBG pangbadagna diantara sakabeh struktur diulik.
Pikeun kenalan anu langkung rinci sareng nuansa pangajaran, kuring nyarankeun ningali и ka anjeunna.
epilog
Motivasi utama pikeun ngalakonan ulikan ieu kahayang pikeun ngajawab sual naha jaringan busa bisa demonstrate PBG full-fledged. Ngarobah edges struktur busa garing kana jaringan photonic geus ditémbongkeun yén maranéhna bisa.
Di momen, busa teu struktur utamana diulik. Tangtosna, aya studi anu masihan hasil anu saé dina hal jaringan amorf, tapi dilaksanakeun dina objék anu alit. Kumaha sistem bakal kalakuan nalika dimensi na ningkat tetep teu jelas.
Numutkeun pangarang ulikan, karya maranéhanana muka loba kemungkinan pikeun papanggihan hareup. Busa umum pisan di alam sareng gampang didamel, ngajantenkeun struktur ieu pikaresepeun pisan pikeun aplikasi praktis.
Élmuwan nelepon Internet salah sahiji aplikasi paling ambisius panalungtikan maranéhanana. Salaku panalungtik sorangan nyebutkeun, ngirimkeun data ngaliwatan serat optik teu anyar, tapi cahaya masih dirobah jadi listrik di tujuanana. Bahan gap pita fotonik tiasa ngarahkeun cahaya langkung tepat tibatan kabel serat optik konvensional sareng tiasa janten transistor optik anu ngalakukeun itungan nganggo cahaya.
Henteu paduli kumaha mulukna rencana éta, masih seueur padamelan anu kedah dilakukeun. Sanajan kitu, pajeulitna ngalaksanakeun panalungtikan atawa pajeulitna palaksanaan ékspérimén teu bisa nungkulan sumanget élmuwan jeung kahayang maranéhna pikeun ngaronjatkeun dunya téhnologi.
Hatur nuhun pikeun nonton, tetep panasaran sarta boga sabtu minggu hébat dulur! 🙂
Hatur nuhun pikeun tetep sareng kami. Naha anjeun resep artikel kami? Hoyong ningali eusi anu langkung narik? Dukung kami ku cara nempatkeun pesenan atanapi nyarankeun ka babaturan, , Diskon 30% pikeun pangguna Habr dina analog unik tina server tingkat éntri, anu diciptakeun ku kami pikeun anjeun: (sadia kalawan RAID1 na RAID10, nepi ka 24 cores sarta nepi ka 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali langkung mirah? Ngan di dieu di Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ti $99! Baca ngeunaan
sumber: www.habr.com