تشغيل عقبة للضوء: بلورات سائلة للمساعدة

يرتبط إنشاء أي تقنية أو مادة بحقيقة عدم كمالها. بطريقة أو بأخرى سيكون هناك عيوب. مهم في بعض الأحيان ، مما يؤثر بشكل كبير على تشغيل نظام معين ، وبالتالي يتطلب الكثير من الوقت والجهد لتحسينه. وأحيانًا يمكن أن تكون العيوب هي تلك التي يمكننا تحملها. لكن هل يجب؟ لا أعتقد ذلك. إن تحسين شيء ما لم يفت الأوان. هذا هو بالضبط ما يعتقده أبطالنا اليوم - العلماء الذين قرروا تحسين البلورات الضوئية. سنتعلم اليوم كيف تتحد العوازل الطوبولوجية وتشتت الجسيمات والبلورات السائلة وموجات الضوء في الدراسة. دعنا نذهب.

الاستطراد الغنائي (النظري)

بالنسبة للمبتدئين ، يجب عليك الانتباه قليلاً إلى النظرية (على الرغم من القليل ، لا تخف).

في المقدمة ، ذكرت "البلورات الضوئية" ، ولكن ما هو؟ هذه مادة غير عادية للغاية ، وتتمثل السمة الرئيسية لها في دورية التغيرات في معامل (فهرس) الانكسار في هيكله. عند التعمق أكثر ، يمكن استكمال هذه الرسالة بحقيقة أنه بسبب خصوصيتها ، فإن البلورات الضوئية تجعل من الممكن الحصول على مناطق مسموح بها وممنوعة لطاقات الفوتون. هذه المناطق مألوفة لنا بفضل أشباه الموصلات ، حيث "تعمل" بالفعل مع طاقة ناقلات الشحن - الجسيمات التي تحمل شحنة كهربائية.


توجد بلورات ضوئية في أجنحة الفراشات (حواجز شبكية).

في حالة البلورات الضوئية ، يعتمد كل شيء على طول الموجة الضوئية. إذا كان الفوتون ذو الطول الموجي المقابل للمنطقة المحرمة يقع على البلورة ، فإن الفوتون لا ينتشر وينعكس مرة أخرى. والعكس صحيح ، إذا كانت طاقة حادث الفوتون على البلورة "مساوية" للمنطقة المسموح بها ، فإن الفوتون ينتشر في البلورة.

اتضح أن البلورة الضوئية لها خصائص موصلة غير قياسية. وهذا ينقلنا إلى مفهوم آخر - العوازل الطوبولوجية.

هذه العوازل تشبه شطيرة (أو شطيرة ، إذا كان أي شخص يفضل الأنجليكانية). أي ، من الخارج ، يكون هيكل هذه المادة عازلًا ، وداخله - موصل. في ، إذا جاز التعبير ، عوازل طوبولوجية كلاسيكية ، فإن إحدى المشاكل هي تشتت الجسيمات. الجسيمات - الرجال متنقلون وبلا لبق قليلاً ، لأنهم أثناء الحركة يحبون الدفع ، وهذا هو سبب التغيير في مسارهم الأولي. تسبب مثل هذه العمليات خسائر معينة ، وهي بالطبع سيئة.


اعتماد الطاقة على الزخم: أ - عازل تقليدي ، ب - طوبولوجي.

يعتقد العلماء الذين نتحدث عنهم اليوم أن هذه المشاكل يمكن حلها من خلال الجمع بين البلورات الضوئية وتقنيات السيليكون الضوئية. غامضة بطريقة أو بأخرى ، لا تظن؟ لكن العلماء يحددون بسرعة ما قرروا بالضبط استخدامه - بلورات سائلة. لكن هذه العبارة بالفعل تجعلك تثير حواجبك. كيف يمكن أن تكون البلورة سائلة؟ ولكن ، كما يحدث غالبًا في الفيزياء ، لا ينبغي فهم كل شيء حرفياً 100٪. البلورات السائلة هي حالة تخضع فيها بعض المواد لظروف قاسية. في هذه الحالة ، يمكن لهذه المواد أن تمتلك في نفس الوقت خصائص السوائل والبلورات (السيولة وتباين الخواص). يجب أن تكون قد شاهدت بلورات سائلة في مرحلة ما من حياتك (ساعات إلكترونية ، تلفزيونات LCD ، هواتف محمولة ، إلخ).


أنواع البلورات السائلة على مراحل: أ - نيماتيك ، ب - سميتيك ، ج - كوليسترول.

لكي تلعب البلورات السائلة دورها ، من الضروري السيطرة على حالات الحافة الطوبولوجية. يمكن تحقيق ذلك عن طريق معالجة مؤشر الانكسار للبلورة السائلة.

عمل مثير للاهتمام حيث تتأثر حالات الحافة.

أساس الدراسة

الهيكل الذي أنشأه الباحثون عبارة عن بلورة ضوئية مصنوعة من أعمدة من السيليكون (أعمدة) مغمورة في وسط بلوري سائل بين أقطاب موصلة (الصورة 1 أ ).


الصورة رقم 1

يتكون الهيكل من مجالين رئيسيين: طوبولوجيا تافهة ومع طوبولوجيا غير تافهة. يتم تمثيل المناطق الأصغر كشبكات سداسية مع ستة أعمدة في كل منها. كل شبكة كهذه عبارة عن جزيء ميتا (مبالغ فيه ، مجموعة من الجزيئات) ، والتي قد يكون لها خصائص طوبولوجيا تافهة أو غير تافهة للمناطق اعتمادًا على المسافة بين الأعمدة.

نظرًا لحقيقة أن البلورة الضوئية مغمورة في وسط بلوري سائل ، يمكن للعلماء معالجة مؤشر الانكسار. علاوة على ذلك ، يمكن أن يكون اتساع التغيير المتحكم به في هذه المعلمة كبيرًا جدًا. يتم تحقيق التحكم والمعالجة بسبب مجال كهربائي خارجي يتم الحصول عليه من قطبين كهربائيين "يحدان" الهيكل من الأسفل وما فوق.

يحتوي الكريستال السائل المتوسط ​​على معامل انكسار يبلغ 1.5 ، ويكون الانكسار الثنائي (عندما يتم تقسيم شعاع الضوء إلى قسمين) من 0.2. في هذه الدراسة ، تم استخدام بلورة سائلة من النوع الخيطي E7: كان معامل الانكسار المطلق 1.51 ، وكان معامل الانكسار الاستثنائي * 1.69.

معامل انكسار غير عادي * - عندما يكون للضوء استقطاب متوازي نسبة إلى المحور البصري.

يوضح الشكل 1 ب كيف تصطف جزيئات الكريستال السائل بالتوازي على طول أعمدة السليكون (وضع التشغيل) عندما يعمل حقل كهربائي خارجي على الهيكل. في مثل هذه الحالة ، يتبع الضوء بشكل فعال المسار على شكل الماس ، في حين أن حالة الحافة تقع في المنطقة المحجوبة الحجمية (الصورة 1 ج ).

"الوضع" الثاني للهيكل هو OFF - حالة الهيكل دون التعرض لمجال كهربائي. في هذه الحالة ، تكون الجزيئات متعامدة على أعمدة السيليكون (الصورة 1 د ). وبالتالي ، فإن الخصائص الطوبولوجية للهيكل لا تتغير ، ولكن موقف المنطقة المحرمة يتغير. يبدأ الضوء بالانتشار في جميع أنحاء حجم الهيكل. أي أن الضوء لا يمر على طول المسار الضروري ، ويتم ملاحظة خسائره الكبيرة في العملية. يظهر هذا في الصورة 1e .

وفقًا للباحثين ، تعد حالات الحافة الطوبوغرافية المخصصة أساسًا واعدًا جدًا للعديد من التقنيات. يمكن الحصول على القدرة على إجراء الضوء على مسار معين مع الحد الأدنى من الخسائر (من الناحية المثالية بالطبع ، دون خسائر) يمكن تحقيقه من خلال التلاعب بحالات الحافة.

في الهيكل قيد الدراسة ، يتم تشكيل حالات الحافة بين البلورات الضوئية الطوبولوجية والتافهة. تحتوي شبكات كل من البلورات ، بشكل مستقل عن بعضها البعض ، على نوع من التماثل C6 ، والذي يتم كسره في الفراغ بين هاتين القاعدتين للهيكل. يؤدي انتهاك التناظر إلى ظهور الانحطاط بين حالات الدوران ، وهذا يسمح لها بالتفاعل بالقرب من النقطة Γ. نتيجة لهذا التفاعل ، تنشأ منطقة صغيرة ("فجوة"). ولكن ، على الرغم من حقيقة أن حالات الحافة ليست خالية من مثل هذه المناطق ، فإنها تسمح لك بإنشاء نظام إرسال الضوء على طول مسار معين دون خسارة.

يمكن أن تحدث الخسائر على طول المسار لعدد من الأسباب: المنعطفات الحادة للمسار أو العيوب في الهيكل أو البلورة على وجه الخصوص. وبالتالي ، يجب أن يعمل الهيكل بطريقة تجعل الضوء ، على الرغم من هذه العقبات ، ينتقل دون خسارة. بادئ ذي بدء ، من الضروري أن تكون هناك حالات حافة عند تردد معين.


الصورة رقم 2

قرر العلماء تحليل البلورة الضوئية الشريطية من أجل تأكيد وجود حالات حافة غير بديهية في هيكلها. أظهر التحليل وجود كل من الحافة والحالات السائبة. وهذه هي المشكلة. نظرًا لأن وجود حالة مجمعة واحدة على الأقل ، حتى في وجود حالات حافة ، سيؤدي إلى حقيقة أن أي عقبة في مسار الضوء ستؤدي إلى تشتيتها في الجزء الأكبر من الهيكل ، أي الخسائر (الصورة 2). في الختام ، يحتاج المرء إلى التخلص من الحالات الحجمية.

على سبيل المثال ، نستخدم مسار الضوء على شكل حرف Z. مثل هذا المسار محفوف بالخسائر ، بسبب مساره غير المباشر. لذا ، هناك خياران لقيادة الضوء على هذا المسار غير المعتاد دون خسارة. الأول هو استخدام أقطاب معدنية تعمل على "تقييد" الضوء داخل هيكل البلورة الضوئية. لسوء الحظ ، فإن هذه الطريقة لها عيوبها أيضًا: ستظل هناك خسائر ، ولكن بالفعل على مستوى الترددات الضوئية. الخيار الثاني أكثر جاذبية - لوضع الأقطاب الكهربائية على مسافة معينة من هيكل البلورة الضوئية. يمكن ملء المساحة الحرة الناتجة ببلورة سائلة ، والتي لها مؤشر انكسار أقل بكثير مقارنة بالهيكل الرئيسي.

وجد الباحثون أيضًا نطاق تردد محددًا لا تنشأ فيه حالات الحافة المطلوبة ولا الحالات الحجمية غير المرغوب فيها. ويرجع ذلك إلى الرغبة في تجنب تقاطعات حالات الحافة التي قد تنشأ بسبب انتهاك تناظر C6.

يؤثر مؤشر الانكسار أيضًا على حجم وموقع فجوة النطاق للهيكل. على سبيل المثال ، توضح الصورة 2 ج أنه مع مؤشر 1.51 ، تغطي فجوة النطاق نطاق التردد المقيس 0.441 ... 0.462. ولكن مع مؤشر 1.69 ، يتغير النطاق - 0.433 ... 0.447 (الصورة 2 جم).


الصورة رقم 3

لمزيد من التحليل ، قرر العلماء اختيار تردد 0.433. توضح الصورة 3 أ (معامل الانكسار 1.51) و 3 d (مؤشر الانكسار 1.69) كيف ينتقل الضوء عند هذا التردد.

عندما يكون مؤشر الانكسار 1.51 ، لا تنشأ حالات الحافة الضرورية ، بسبب عدم تركيز الضوء ، إذا جاز التعبير ، وتبدأ في التشتت فوق الهيكل. دعونا نعود إلى الصورة رقم 2 ، بتعبير أدق ، إلى d و g ، للتوضيح. يقع التردد المقيس 0.433 أسفل فجوة النطاق للمناطق التافهة (المنحنيات الحمراء) والطبوغرافية (المنحنيات الخضراء) للبلورة الضوئية. إذا كان مؤشر الانكسار 1.69 ، فإن التردد 0.433 يقع في المنطقة المحظورة في كلتا المنطقتين.

أجرى العلماء أيضًا تجربة مع مؤشرات انكسار مختلفة في نفس الوقت. وقد تحقق ذلك من خلال التأثير المنفصل للمجال الكهربائي الخارجي على المناطق التافهة والطوبولوجية بشكل منفصل. يتم فصل الأقطاب بواسطة طبقة رقيقة من العازل. يظهر تحليل فجوة النطاق في هذه التجربة في الصور 2e و 2 f . ويظهر انتشار الضوء على طول المسار بعيب معين في 3 ب و 3 ج . في هذه التجربة ، ينتشر الضوء مرة أخرى من خلال البنية. نتيجة لذلك ، يجب أن يكون لكل من منطقتي الهيكل ، الطوبولوجية والتافهة ، نفس معامل الانكسار.

يمكنك التعرف على تفاصيل الدراسة ، وخاصة الحسابات ، من خلال تقرير مجموعة البحث .

خاتمة

تمكن الباحثون من إنشاء نظام يمكن من خلاله نقل الضوء على طول مسار معقد (غير خطي) بدون خسارة ، باستخدام التلاعبات بمؤشرات الانكسار للعناصر الهيكلية. وقد لوحظت الشروط اللازمة للحصول على نتيجة مماثلة: وجود حالات حافة طوبوغرافية غير بديهية وغياب الحالات السائبة. كما لاحظ الباحثون أن الفرق في معامل الانكسار بين المناطق التافهة والطبوغرافية يؤثر سلبًا على انتقال الضوء ، مما يؤدي إلى تشتت الضوء ، وبالتالي إلى الخسائر.

إن استخدام البلورات السائلة مع السيليكون جعل من الممكن التحكم وتعديل ومعالجة خصائص معينة للهيكل ، وبالتالي ضبطه على النتيجة المرجوة.

تظهر هذه الدراسة مرة أخرى الإمكانات المذهلة للبلورات السائلة ، كعنصر أساسي لتحسين تقنيات نقل البيانات ، وكذلك معالجتها. هذه التكنولوجيا ليست جديدة ، ولكن حتى الآن لم يتم اكتشاف جميع الاختلافات في تطبيقها. كلما وجد العلماء ، كلما كان من الأسهل على التكنولوجيا أن تتطور. وحتى إذا لم يتم استخدام المسار المفتوح في المستقبل ، فقد يكون بمثابة دافع للباحثين الآخرين لإيجاد طريقهم. المنافسة مفيدة ليس فقط في الاقتصاد ، ولكن أيضًا في البحث.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟