Huko nyuma mnamo 1887, mwanafizikia wa Uskoti William Thomson alipendekeza kielelezo chake cha kijiometri cha muundo wa etha, ambayo inasemekana ilikuwa katikati inayoenea kila mahali, mitetemo ambayo inajidhihirisha kwetu kama mawimbi ya sumakuumeme, pamoja na mwanga. Licha ya kushindwa kabisa kwa nadharia ya ether, mfano wa kijiometri uliendelea kuwepo, na mwaka wa 1993, Denis Ware na Robert Phelan walipendekeza mfano wa juu zaidi wa muundo wenye uwezo wa kujaza nafasi iwezekanavyo. Tangu wakati huo, mtindo huu umekuwa wa kupendeza zaidi kwa wanahisabati au wasanii, lakini utafiti wa hivi karibuni umeonyesha kuwa unaweza kuunda msingi wa teknolojia za baadaye zinazotumia mwanga badala ya umeme. Povu ya Ware-Phelan ni nini, ni nini kinachoifanya kuwa isiyo ya kawaida, na inawezaje kutumika kupata mwanga? Tutapata majibu ya maswali haya na mengine katika ripoti ya kikundi cha utafiti. Nenda.
Msingi wa utafiti
Miaka mia moja iliyopita katika jumuiya ya kisayansi kulikuwa na nadharia ya kuvutia sana kuhusu jambo fulani la kila kitu karibu. Nadharia hii ililenga kueleza asili ya mawimbi ya sumakuumeme. Iliaminika kuwa ether inazunguka kila kitu na ndiyo chanzo cha mawimbi haya. Uvumbuzi wa kisayansi uliofuata nadharia ya etha uliiharibu kabisa.
William Thomson
Hata hivyo, mwaka wa 1887, wakati nadharia ya ether ilikuwa imejaa nguvu na umaarufu, wanasayansi wengi walionyesha mawazo yao kuhusu jinsi hasa ether inaweza kujaza nafasi yote. William Thomson, anayejulikana pia kama Lord Kelvin, naye pia. Alikuwa akitafuta muundo ambao ungejaza kabisa nafasi hiyo ili kusiwe na maeneo tupu. Utafutaji huu baadaye uliitwa shida ya Kelvin.
Mfano wa zamani: fikiria kisanduku kilicho na makopo ya cola. Kati yao, kutokana na sura ya cylindrical, voids hutokea, i.e. nafasi isiyotumika.
Thomson, pamoja na kuamini kwamba Dunia haikuwa zaidi ya miaka milioni 40, alipendekeza muundo mpya wa kijiometri, ambao uliboreshwa na Denis Ware na Robert Phelan, kama matokeo ambayo iliitwa jina lao.
Muundo wa Ware-Phelan unatokana na sega la asali linalojaza nafasi na polihedra iliyotengana, bila kuacha nafasi tupu. Sega la asali, ambalo kwa kawaida tunalifikiria kama heksagoni kutokana na sega la asali, kwa hakika huja katika maumbo mengi tofauti. Kuna cubic, octahedral, tetrahedral, rhombic dodecahedral, nk.
Muundo wa Ware-Phelan
Jambo lisilo la kawaida kuhusu masega ya asali ya Ware-Phelan ni kwamba yanajumuisha maumbo na vipengele tofauti vya kijiometri. Katika msingi wake, ni povu bora ya Bubbles za ukubwa sawa.
Babu wa povu hili ndiye aliyependekezwa na Lord Kelvin, ambaye tayari tunamfahamu. Hata hivyo, toleo lake lilikuwa na masega ya asali yaliyofupishwa ya ujazo. Muundo wa Kelvin ulikuwa ni sega la asali la umbo mbonyeo lililoundwa na oktahedron iliyopunguzwa, ambayo ni polihedroni yenye nyuso nne, inayojaza nafasi (tetradecahedron), yenye nyuso 6 za mraba na nyuso 8 za heksi.
Chaguo hili la kuongeza nafasi ya kujaza lilizingatiwa kuwa bora kwa karibu miaka mia moja, hadi Ware na Phelan walipofungua muundo wao mnamo 1993.
Pentagondodekahedron na dekahedron
Tofauti kuu kati ya sega la asali la Ware-Phelan na mtangulizi wake ni matumizi ya aina mbili za vipengele vinavyohusika, ambavyo, hata hivyo, vina kiasi sawa: pentagondodecahedron (dodecahedron yenye ulinganifu wa tetrahedral) na 14hedron yenye ulinganifu wa mzunguko.
Katika kazi tunayozingatia leo, wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Princeton waliamua kutumia povu ya Ware-Phelan katika picha za picha. Kwanza, ilikuwa ni lazima kujua ikiwa povu kama hizo zina mapungufu ya bendi ya picha (PBGs), ambayo huzuia uenezi wa mwanga katika pande zote na kwa polarizations juu ya anuwai ya masafa.
Katika utafiti wao, wanasayansi walionyesha kuwa mtandao wa picha wa 16,9D kulingana na povu la Ware-Phelan husababisha PBG muhimu (XNUMX%) na kiwango cha juu cha isotropi*, ambayo ni mali muhimu kwa nyaya za picha.
Isotropi* - sifa zinazofanana za mwili katika pande zote.
Povu ya Kelvin na povu ya C15 pia ilifanya vizuri katika suala la PBG, lakini walikuwa duni kwa muundo wa Ware-Phelan katika suala hili.
Masomo sawa yamefanyika hapo awali, lakini yalilenga kwenye povu kavu ya pande mbili. Kisha iligunduliwa kuwa povu kavu ya amofasi yenye sura mbili inaonyesha PBG tu kwa ugawanyiko wa umeme unaopita. Shida ni kwamba kuna polarizations mbili katika povu ya 3D.
Licha ya ugumu unaowezekana, povu ya 30D inaweza kuzingatiwa kama nyenzo ya kuahidi katika uwanja wa picha, kulingana na watafiti. Kuna sababu ya hii: Sheria za Plateau zinahakikisha kuwa kingo huunda wima za tetrahedral pekee. Na hii ni faida kubwa kwa mitandao ya picha. Mfano wa kushangaza wa hii ni almasi yenye PBG ya XNUMX%.
Povu ina mali ya tetrahedral ya kuratibu za kimiani ya almasi, lakini inatofautiana kwa kuwa ina kingo zilizopinda na urefu wa dhamana usio sawa. Inabakia tu kujua jinsi na kwa kiasi gani tofauti hizo zinaathiri mali za picha.
Ikiwa mbavu za povu kavu ya 17D zimefanywa kuwa nene, inawezekana kuunda mitandao ya picha (picha hapa chini) inayoonyesha PBG za picha za hadi XNUMX%, ikilinganishwa na au bora kuliko zile za mifano ya kawaida ya fuwele za picha zilizojikusanya.
Picha #1: Mitandao ya povu ya picha iliyopatikana kwa kuimarisha kingo za muundo wa Ware-Phelan (kushoto), muundo wa Kelvin (katikati) na povu C15 (kulia).
Ili kutekeleza mfano kama huo katika mazoezi, povu kavu lazima kwanza iwe na fuwele na kisha ikawekwa na nyenzo za dielectric. Kwa kawaida, PBG ya povu itakuwa chini kuliko ya kioo cha picha, lakini hasara hii inaweza kuondokana na idadi ya faida. Kwanza, kujipanga kwa povu kunaweza kuruhusu uzalishaji wa haraka wa sampuli kubwa. Pili, miundo ya picha ya povu ya picha, kulingana na utafiti uliopita, inaweza kuwa na anuwai ya matumizi.
Matokeo ya utafiti
Kwanza kabisa, ilikuwa ni lazima kusoma povu kavu, ambayo inafafanuliwa kama minima ya ndani ya eneo la uso wa uso tessellation* chini ya vikwazo vya kiasi, ili jiometri ya mwisho itii sheria za Plateau.
Tessellation* - kugawanya ndege katika sehemu za vipengele ambazo hufunika kabisa ndege nzima bila kuacha mapungufu.
Ili kuunda povu za Ware-Phelan, Kelvin, na C15, wanasayansi walianza na tessellations za Voronoi zenye uzani kwa fuwele za BCC, A15, au C15, mtawalia.
Mchoro wa Voronoi
Vigezo vilichaguliwa kwa njia ambayo seli zote za kujitenga zilikuwa na kiasi sawa.
Mitandao iliyoundwa kutoka kwa kingo zilizopinda za povu na kutoka kwa kingo zilizonyooka za watangulizi wao zilichunguzwa. Ili kutathmini topolojia ya aina zote za povu, takwimu za pete*.
Takwimu za pete (takwimu za pete)*Uchambuzi wa sifa za kitopolojia za nyenzo za mtandao (kimiminiko, fuwele au mifumo ya amofasi) mara nyingi hutegemea nadharia ya grafu kwa kutumia nodi za atomi na vifungo kwa miunganisho ya interatomiki. Kutokuwepo au kuwepo kwa uhusiano kati ya nodes mbili imedhamiriwa kwa kuchambua kazi za usambazaji kamili na wa sehemu ya mfumo wa radial. Katika nyenzo za mtandao, mlolongo wa nodes na viungo vilivyounganishwa katika mfululizo bila kuingiliana huitwa njia. Kufuatia ufafanuzi huu, pete ni njia iliyofungwa tu. Ikiwa unachunguza kwa uangalifu nodi maalum ya mtandao, unaweza kuona kwamba node hii inaweza kushiriki katika pete nyingi. Kila moja ya pete hizi ina sifa ya vipimo vyake na inaweza kuainishwa kulingana na uhusiano kati ya nodi na viungo vinavyounda.
Njia ya kwanza ya kufafanua pete ilitolewa na Shirley W. King. Ili kusoma muunganisho wa kioo cha SiO2, anafafanua pete kama njia fupi zaidi kati ya majirani wawili wa karibu wa nodi fulani.
Katika kesi ya utafiti unaozingatiwa, mahesabu yalifanywa ya idadi ya pete fupi zaidi kwa kila kipeo katika seli ya kitengo.
Seli moja katika modeli ya Kelvin ina miraba 2 na hexagoni 4 kwa kila vertex, lakini povu ya TCP (iliyofungwa kwa karibu sana) ina nyuso za pentagonal na hexagonal tu (wastani: 5.2 na 0.78 katika povu ya Ware-Phelan; 5.3 na 0.71 katika povu ya C15). Tessellations za Voronoi A15 na C15 ni miundo ya TCP yenye idadi kubwa na ndogo ya kingo (f) kwa kila seli 1. Kwa hivyo, muundo wa Ware-Phelan una idadi kubwa ya nyuso (f = 13 + 1/2), na C15 ndio nambari ndogo zaidi ya nyuso (f = 13 + 1/3).
Baada ya kukamilisha maandalizi yao ya kinadharia, wanasayansi walianza kuiga mtandao wa picha kulingana na mbavu za povu kavu, i.e. mtandao wa povu-photon. Ilibainika kuwa kwa thamani ya PBG ya 20% ya utendaji wa mfumo huimarishwa, lakini kwa 15% povu ya Ware-Phelan inakuwa isiyo imara. Kwa sababu hii, wanasayansi hawajazingatia povu mvua, ambapo mipaka ya Plateau ina sehemu za msalaba za tricuspid. Badala yake, lengo lilikuwa juu ya miundo ya povu kavu, ambapo wanasayansi wanaweza kuongeza hatua kwa hatua unene wa mbavu.
Kwa kuongeza, kila makali ni mhimili wa kati wa spherocylinder (capsule), ambapo radius ni parameter ya tuning.
Watafiti wanatukumbusha kuwa mitandao kama hiyo ya povu sio povu kwa maana halisi, lakini kwa sababu ya urahisi katika ripoti yao itaitwa "povu" au "mtandao wa povu."
Wakati wa kuiga, parameter ilizingatiwa ɛ (tofauti ya dielectric) - uwiano wa vipengele vya dielectric vya vifaa na maadili ya juu na ya chini ya insulation. Tofauti ya dielectri inadhaniwa kuwa kati ya 13 na 1, ambayo hutumiwa sana katika fasihi kama kiwango wakati wa kulinganisha utendakazi wa miundo tofauti ya nyenzo za picha.
Kwa kila mtandao, radius ya kingo (spherocylinders) imeboreshwa kwa uwiano wa juu wa pengo la bendi na katikati yake: ∆ω/ωm, wapi ∆ω ni upana wa bendi ya masafa, na ωm - frequency ndani ya eneo.
Picha #2: Muundo wa ukanda wa picha wa povu la Ware-Phelan (nyekundu), povu la Kelvin (bluu), na povu la C15 (kijani).
Kisha, saizi za PBG zilipimwa na kupatikana kuwa: 7.7% kwa povu ya Kelvin, 13.0% kwa povu ya C15 na 16.9% kwa povu ya Ware-Phelan. Kupunguza eneo huongeza ukubwa wa PBG kwa 0.7%, 0.3 au 1.3%.
Kama ilivyodhihirika kutokana na uchanganuzi, mitandao ya TCP ina saizi kubwa zaidi za PBG kuliko mitandao ya Kelvin. Kati ya mitandao miwili ya TCP, ni povu la Ware-Phelan ambalo lina ukubwa mkubwa wa bandgap, ambayo huenda inatokana na mabadiliko madogo ya urefu wa kiungo. Wanasayansi wanaamini kuwa tofauti katika urefu wa dhamana inaweza kuwa sababu kuu kwa nini katika mfumo wao, i.e. katika povu la Ware-Phelan, PBG ni ndogo kuliko katika almasi (31.6%) au katika mfumo wa Laves (28.3%).
Kipengele muhimu sawa katika photonics ni isotropy ya PBG, ambayo inaruhusu kuundwa kwa mawimbi ya sura ya kiholela. Quasicrystals za picha, pamoja na mitandao ya picha ya amofasi, ni isotropiki zaidi kuliko fuwele za picha za classical.
Muundo wa povu-photonic chini ya utafiti pia una kiwango cha juu cha isotropi. Ifuatayo ni fomula ya kuamua mgawo wa anisotropi (yaani, kiwango cha tofauti katika mali ya mazingira fulani) PBG (А):
J: = (√Var[ωHDB]+Var[ωLAB]) / ωm
Povu la C15 lilionekana kuwa na anisotropy ya chini kabisa (1.0%), ikifuatiwa na povu ya Weir-Phelan (1.2%). Kwa hivyo, miundo hii ni isotropic sana.
Lakini muundo wa Kelvin unaonyesha mgawo wa anisotropy wa 3.5%, ambayo ni karibu kabisa na ile ya mfumo wa Laves (3.4%) na almasi (4.2%). Hata hivyo, hata viashiria hivi sio mbaya zaidi, kwa sababu pia kuna mifumo rahisi ya ujazo yenye mgawo wa anisotropy ya 8.8% na mitandao ya almasi ya hexagonal yenye 9.7%.
Katika mazoezi, wakati ni muhimu kufikia thamani ya juu ya PBG, wakati mwingine ni muhimu kubadili vigezo fulani vya kimwili vya muundo. Katika kesi hii, parameter hii ni radius ya spherocylinders. Wanasayansi walifanya mahesabu ya hisabati ambayo waliamua uhusiano kati ya pengo la bendi ya picha na upana wake kama kazi. ɛ. Kwa kila thamani iliyopatikana, kipenyo kiliboreshwa ili kuzidisha ∆ω/ωm.
Picha Nambari 3: kulinganisha ∆ω/ωm ya mitandao ya povu iliyojifunza (C15, Kelvin, Weir-Phelan) na miundo mingine (almasi, almasi ya hexagonal, Laves, SC - cubic ya kawaida).
Povu la Weir-Phelan hudumisha ukubwa unaokubalika wa PBG wa 8% hadi utofautishaji wa dielectri ɛ≈9, na radius iliongezwa kufikia thamani ya juu ya PBG ya 15%. PBGs hupotea wakati ɛ <6.5. Kama inavyotarajiwa, muundo wa almasi una PBG kubwa zaidi kati ya miundo yote iliyosomwa.
Kwa ufahamu wa kina zaidi na nuances ya utafiti, napendekeza kutazama и kwake.
Epilogue
Motisha kuu ya kufanya utafiti huu ni hamu ya kujibu swali la ikiwa mitandao ya povu inaweza kuonyesha PBG kamili. Kubadilisha kingo za miundo ya povu kavu kwenye mitandao ya picha imeonyesha kuwa wanaweza.
Kwa sasa, povu sio muundo uliojifunza hasa. Kwa kweli, kuna masomo ambayo hutoa matokeo mazuri katika suala la mitandao ya amorphous, lakini yalifanywa kwa vitu vidogo sana. Jinsi mfumo utakavyofanya kazi kadri vipimo vyake vinavyoongezeka bado haijulikani wazi.
Kulingana na waandishi wa utafiti, kazi yao inafungua fursa nyingi za uvumbuzi wa siku zijazo. Povu ni ya kawaida sana katika asili na rahisi kutengeneza, na kufanya muundo huu kuvutia sana kwa matumizi ya vitendo.
Wanasayansi huita Mtandao kuwa mojawapo ya matumizi makubwa ya utafiti wao. Kama watafiti wenyewe wanasema, kusambaza data juu ya nyuzi za macho sio mpya, lakini nuru bado inabadilishwa kuwa umeme kwenye marudio yake. Nyenzo za mkanda wa picha zinaweza kuelekeza mwanga kwa usahihi zaidi kuliko nyaya za kawaida za fiber optic na zinaweza kutumika kama transistors za macho zinazofanya hesabu kwa kutumia mwanga.
Haijalishi jinsi mipango ni kubwa, bado kuna kazi nyingi ya kufanywa. Walakini, sio ugumu wa kufanya utafiti au ugumu wa kutekeleza majaribio hauwezi kushinda shauku ya wanasayansi na hamu yao ya kuboresha ulimwengu wa teknolojia.
Asante kwa kutazama, endelea kutaka kujua na uwe na wikendi njema kila mtu! 🙂
Asante kwa kukaa nasi. Je, unapenda makala zetu? Je, ungependa kuona maudhui ya kuvutia zaidi? Tuunge mkono kwa kuweka agizo au kupendekeza kwa marafiki, , Punguzo la 30% kwa watumiaji wa Habr kwenye analogi ya kipekee ya seva za kiwango cha kuingia, ambayo tulikutengenezea: (inapatikana kwa RAID1 na RAID10, hadi cores 24 na hadi 40GB DDR4).
Dell R730xd mara 2 nafuu? Hapa tu nchini Uholanzi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - kutoka $99! Soma kuhusu
Chanzo: mapenzi.com