كيفية التقاط الضوء مع رغوة: شبكة رغوة الفوتون

في عام 1887 ، اقترح الفيزيائي الاسكتلندي وليام طومسون نموذجه الهندسي لهيكل الأثير ، والذي كان من المفترض أن يكون وسطًا واسع الانتشار ، وكانت اهتزازاته تظهر لنا مثل الموجات الكهرومغناطيسية ، بما في ذلك الضوء. على الرغم من الفشل التام لنظرية الأثير ، استمر النموذج الهندسي في الوجود ، وفي عام 1993 اقترح دينيس وير وروبرت فيلان نموذجًا أكثر تقدمًا للهيكل ، وهو قادر على ملء المساحة قدر الإمكان. منذ ذلك الحين ، كان هذا النموذج مهتمًا في الغالب بعلماء الرياضيات أو الفنانين ، لكن الأبحاث الحديثة أظهرت أنه يمكن أن يصبح أساسًا للتقنيات المستقبلية التي تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء. ما هي رغوة Weyr - فيلان ، ما هو غرابة وكيف يمكن استخدامها لالتقاط الضوء؟ سوف نجد إجابات لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

منذ مائة عام فقط ، في المجتمع العلمي ، كانت هناك نظرية غريبة للغاية حول نوع من المادة في كل مكان. تهدف هذه النظرية إلى شرح طبيعة الموجات الكهرومغناطيسية. كان يعتقد أن الأثير يحيط بكل شيء وهو مصدر هذه الموجات. الاكتشافات العلمية التي تلت نظرية الأثير دمرت تماما.


وليام طومسون

ومع ذلك ، في عام 1887 ، عندما كانت نظرية الأثير ممتلئة بالقوة والشعبية ، أعرب العديد من العلماء عن أفكارهم حول كيف يمكن للأثير بالضبط ملء الفراغ بأكمله. وليام طومسون ، المعروف أيضا باسم اللورد كلفن ، لم يكن استثناء. كان يبحث عن بنية من شأنها أن تملأ المساحة بشكل مثالي بحيث لا توجد مناطق خالية. سميت عمليات البحث هذه فيما بعد باسم "مهمة كلفن".

مثال بدائي: تخيل صندوقًا يحتوي على علب من الكولا. بينهما ، بسبب الشكل الأسطواني ، تنشأ فراغات ، أي مساحة غير مستخدمة.

اقترح طومسون ، بالإضافة إلى الاعتقاد بأن الأرض لا تزيد عن 40 مليون عام ، بنية هندسية جديدة ، والتي تم تحسينها من قبل دينيس وير وروبرت فيلان ، وبالتالي سميت باسمهم.

يعتمد هيكل Weir-Phelan على الخلايا التي تملأ الفضاء مع متعدد الوجوه مفككة ، وليس هناك مساحة فارغة. إن أقراص العسل ، التي نمثلها عادة في شكل مسدسات بسبب قرص العسل النحل ، تأتي في الواقع بأشكال مختلفة. هناك مكعب ، ثماني السطوح ، رباعي السطوح ، dodecahedral المعينية ، الخ


هيكل فيل فيلان

خصوصية قرص العسل Weir-Phelan هو أنها تتكون من أشكال هندسية مختلفة. في جوهرها ، إنها رغوة مثالية للفقاعات من نفس الحجم.

كان سلف هذه الرغوة هو الذي اقترحه اللورد كلفن ، الذي كان مألوفًا لنا بالفعل. ومع ذلك ، فإن البديل يتكون من خلايا مكعب تقصير. كان هيكل كلفن عسلًا متجانسًا محدبًا يتكون من مثمن مجسم ، وهو متعدد السطوح متعدد الوجوه يملأ الفراغ (رباعي الوجوه) ، مع 6 وجوه مربعة و 8 وجوه سداسية.

كان هذا الخيار لملء الفراغ إلى أقصى حد يعتبر مثاليًا لمائة عام تقريبًا ، حتى في عام 1993 ، افتتح Weir و Phelan بنيانهما.


البنتاغون و decahedron

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين خلية وير فيلان وسلفها في استخدام نوعين من العناصر المكونة ، والتي لها نفس الحجم: خماسي ثنائي الاتجاه - (رباعي السطوح مع تناظر رباعي السطوح) ورابع عشرة رباعي السطوح مع التناظر الدوراني.

في العمل الذي نفكر فيه اليوم ، قرر العلماء في جامعة برينستون استخدام رغوة وير فيلان في علم الضوئيات. بادئ ذي بدء ، كان من الضروري معرفة ما إذا كانت الفجوات في النطاق الضوئي (PBGs) لانتشار ضوء كتلة الرغوة في جميع الاتجاهات ولكل الاستقطابات في مدى تردد واسع.

في دراستهم ، أظهر العلماء أن شبكة الفوتون ثلاثية الأبعاد القائمة على رغوة Weir-Phelan تؤدي إلى PBG كبير (16.9 ٪) مع درجة عالية من الخواص * ، وهي خاصية مهمة لسلاسل الفوتون.

Isotropy * - نفس الخصائص الفيزيائية في جميع الاتجاهات.

أظهر رغوة كلفن ورغوة C15 أيضًا نتائج PBG جيدة ، لكنها أدنى من هيكل Weir-Phelan في هذا المؤشر.

أجريت دراسات مماثلة من قبل ، ومع ذلك ، ركزوا على الرغوة الجافة ثنائية الأبعاد. ثم وجد أن الرغوة الجافة غير المتبلورة ثنائية الأبعاد تعرض PBG فقط للاستقطاب الكهربائي المستعرض. المشكلة هي أن هناك استقطابين في الرغوة ثلاثية الأبعاد.

على الرغم من الصعوبات المحتملة ، يمكن اعتبار رغوة ثلاثية الأبعاد بأمان مادة واعدة في مجال الضوئيات ، وفقًا للباحثين. هناك سبب لذلك: تضمن قوانين الهضبة أن تكون الحواف عبارة عن رؤوس رباعية السطوح حصريًا. وهذه ميزة كبيرة للشبكات الضوئية. مثال حي على ذلك هو الماس مع PBG من 30 ٪.

تحتوي الرغوة على خاصية رباعي السطوح لإحداثيات شعرية الألماس ، لكنها تختلف من حيث أنها ذات حواف منحنية وأطوال مختلفة من السندات. يبقى فقط لمعرفة كيف وإلى أي مدى تؤثر هذه الاختلافات على الخصائص الضوئية.

إذا كانت أضلاع الرغوة الجافة ثلاثية الأبعاد أكثر سماكة ، فيمكن إنشاء شبكات الفوتون (الصور أدناه) ، والتي تظهر PBG فوتونية واضحة تصل إلى 17 ٪ ، قابلة للمقارنة أو أعلى من تلك الموجودة في الأمثلة النموذجية للبلورات الضوئية ذاتية التنظيم.


الصورة رقم 1: شبكات رغوة الفوتون التي تم الحصول عليها عن طريق زيادة سماكة حواف هيكل وير-فيلان (يسار) ، هيكل كلفن (وسط) ورغوة C15 (يمين).

من أجل تطبيق مثل هذا النموذج في الممارسة العملية ، يجب أولاً بلورة الرغوة الجافة ثم تغليفها بمادة عازلة. بطبيعة الحال ، فإن PBG للرغوة سيكون أقل من البلورة الضوئية ، ولكن يمكن التغلب على هذه العيوب من خلال عدد من المزايا. أولاً ، يمكن للتنظيم الذاتي للرغوة أن يسمح بالإنتاج السريع للعينات الكبيرة. وثانياً ، يمكن أن يكون للهيئات غير المتجانسة القائمة على رغوة الفوتون ، مع مراعاة الدراسات السابقة ، مجموعة واسعة من التطبيقات.

نتائج البحوث

بادئ ذي بدء ، كان من الضروري دراسة الرغوة الجافة ، والتي تُعرف بأنها الحدود الدنيا للطرف الفاصل من التغطية بالفسيفساء * مع مراعاة قيود الحجم ، بحيث تلتزم الهندسة النهائية بقوانين الهضبة.

التغطية بالفسيفساء * - تقسيم الطائرة إلى أجزائها المكونة التي تغطي الطائرة بالكامل دون ترك مسافات.

لبناء رغاوي Weir-Phelan ، و Kelvin ، و C15 ، بدأ العلماء بمسامير Voronoi الموزونة لبلورات BCC أو A15 أو C15 ، على التوالي.


مخطط فورونوي

تم اختيار المعلمات بحيث يكون لكل خلايا الفصل نفس الحجم.

درسنا شبكات مكونة من أضلاع منحنية من الرغوات ومن أضلاع مستقيمة من أغطية أرضية أسلافهم. لتقييم طوبولوجيا جميع أنواع الرغوة ، تم استخدام إحصائيات الحلقة * .


في حالة الدراسة المذكورة ، تم حساب عدد أقصر الحلقات لكل قمة في خلية الوحدة.

تحتوي خلية واحدة من طراز Kelvin على مربعين و 4 مسدسات لكل رأس ، لكن الرغوة TCP (المعبأة بإحكام بشكل محكم) لا تحتوي إلا على وجوه خماسية وسداسية (القيم المتوسطة: 5.2 و 0.78 في رغوة Weir-Felan ؛ 5.3 و 0.71 في رغوة C15). أغطية Voronoi A15 و C15 عبارة عن هياكل TCP مع أكبر وأقل عدد من الوجوه ( f ) لكل خلية. وبالتالي ، يحتوي هيكل Weir-Phelan على أكبر عدد من الوجوه ( f = 13 + 1/2) ، ويحتوي C15 على أقل عدد من الوجوه ( f = 13 + 1/3).

بعد الانتهاء من التدريب النظري ، بدأ العلماء في تصميم شبكة الفوتون استنادًا إلى حواف الرغاوي الجافة ، أي شبكة رغوة الفوتون. وقد وجد أنه مع قيمة PBG بنسبة 20 ٪ ، يتم تعظيم خصائص النظام ، وعند 15 ٪ تصبح رغوة Weir-Phelan غير مستقرة. لهذا السبب ، لم يفكر العلماء في الرغوة الرطبة ، حيث توجد حدود ثلاثية الهضاب على حدود الهضبة. وبدلاً من ذلك ، تركز كل الاهتمام على هياكل الرغوة الجافة ، حيث يمكن للعلماء أن يزيدوا تدريجياً من سمك الأضلاع.

بالإضافة إلى ذلك ، كل ضلع هو المحور الإنسي للأسطوانة الكروية (الكبسولة) ، حيث يكون نصف القطر معلمة إعداد.

يتذكر الباحثون أن شبكات الرغوة هذه ليست من الرغوة حرفيًا ، ولكن في تقريرهم سيشار إليهم باسم "الرغوة" أو "شبكة الرغوة" لسهولة سرد القصص.

أثناء المحاكاة ، تم أخذ المعلمة ɛ (تباين العزل الكهربائي) في الاعتبار - نسبة الثوابت العازلة للمواد ذات قيم العزل العالية والمنخفضة. من المفترض أن يكون التباين العازل من 13 إلى 1 ، والذي يستخدم عادة في الأدب كمعيار عند مقارنة خصائص الهياكل المختلفة للمواد الضوئية.

لكل شبكة ، يتم تحسين نصف قطر الأضلاع (الأسطوانات الكروية) لتحقيق أقصى نسبة من النطاق المحظور إلى وسطه: ∆ ω / ω _m ، حيث ∆ ω هو عرض نطاق التردد ، و _m هو التردد داخل النطاق.


الصورة رقم 2: هيكل منطقة الفوتون لرغوة وير فيلان (أحمر) ورغوة كلفن (أزرق) ورغوة C15 (خضراء).

بعد ذلك ، تم قياس أحجام PBG ، والتي كانت: 7.7 ٪ لرغوة كلفن ، و 13.0 ٪ لرغوة C15 ، و 16.9 ٪ لرغوة وير فيلان. يزيد تقليل المساحة من أحجام PBG بنسبة 0.7٪ أو 0.3 أو 1.3٪.

كما أصبح واضحًا من التحليل ، فإن شبكات TCP لها أحجام PBG أكبر بكثير من شبكات Kelvin. من بين شبكتي TCP ، فإن رغوة Weir-Phelan هي التي تحتوي على أكبر حجم للمناطق المحظورة ، والتي من المفترض أن ترتبط بتغيير أصغر في طول الروابط. يعتقد العلماء أن الاختلافات في أطوال الروابط قد تكون السبب الرئيسي وراء وجودها في نظامهم ، أي في رغوة Weir-Phelan ، يكون PBG أقل من الألماس (31.6٪) أو في نظام Laves (28.3٪).

من الجوانب التي لا تقل أهمية في علم الضوئيات هو نظير PBG ، الذي يسمح بإنشاء أدلة موجية تعسفية. تعد البلورات الفوتونية الضوئية ، وكذلك الشبكات الفوتونية غير المتبلورة ، أكثر تناظرية من بلورات الفوتون الكلاسيكية.

يحتوي هيكل الفوتون المدروس أيضًا على درجة عالية من النظائر. فيما يلي صيغة تحديد معامل التباين (بمعنى ، درجة الاختلاف في خصائص وسط معين) PBG ( A ):

A: = (√ Var [ ω _HDB ] + Var [ AB _LAB ]) / ω _m

وقد وجد أن رغوة C15 لديها أدنى تباين (1.0 ٪) ، تليها رغوة Weyr-Felan (1.2 ٪). لذلك ، هذه الهياكل هي موحد الخواص للغاية.

لكن هيكل كلفن يوضح معامل تباين بنسبة 3.5 ٪ ، وهو قريب جدا من مؤشر Laves (3.4 ٪) والماس (4.2 ٪). ومع ذلك ، فإن هذه المؤشرات ليست هي الأسوأ ، لأنه لا تزال هناك أنظمة مكعبة بسيطة مع معامل تباين بنسبة 8.8 ٪ وشبكات الماس سداسية بنسبة 9.7 ٪.

في الممارسة العملية ، عندما يكون من الضروري تحقيق الحد الأقصى لقيمة PBG ، في بعض الأحيان يكون من الضروري تغيير بعض المعلمات المادية للهيكل. في هذه الحالة ، هذه المعلمة هي نصف قطر الأسطوانات الكروية. أجرى العلماء حسابات رياضية اكتشفوا فيها نسبة فجوة الفرقة الضوئية وعرضها في شكل الوظيفة ɛ . لكل قيمة تم الحصول عليها ، تم إجراء تحسين نصف القطر لتعظيم ∆ ω / ω _m .


الصورة رقم 3: مقارنة ∆ω / ω _م لشبكات الرغوة التي تم فحصها (C15 ، Kelvin ، Weir-Phelan) وغيرها من الهياكل (الماس ، الماس سداسي ، Laves ، SC - مكعب عادي).

تحافظ رغوة Weir-Phelan على حجم PBG مقبول يصل إلى 8٪ إلى تباين عازل يبلغ ɛ ≈9 ، وقد زاد نصف القطر ليصل إلى PBG بحد أقصى 15٪. PBG تختفي في ɛ <6.5. كما هو متوقع ، يحتوي هيكل الماس على أكبر PBG لجميع الهياكل التي تمت دراستها.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

الدافع الرئيسي لهذه الدراسة ، يسميه العلماء الرغبة في الإجابة على السؤال - هل يمكن لشبكات الرغوة أن تظهر PBG كاملة. أظهر تحول حواف هياكل الرغوة الجافة إلى شبكات ضوئية أنها قادرة على ذلك.

في الوقت الحالي ، لا تعد الرغوة بنية مدروسة بشكل خاص. بالطبع ، هناك دراسات تعطي نتائج جيدة فيما يتعلق بالشبكات غير المتبلورة ، لكنها أجريت على أجسام صغيرة للغاية. كيف سيتصرف النظام مع زيادة في حجمه لا يزال غير واضح.

وفقًا لمؤلفي الدراسة ، يفتح عملهم العديد من الفرص للاختراعات المستقبلية. الرغوة شائعة جدًا في الطبيعة وسهلة الصنع ، مما يجعل هذا الهيكل جذابًا للغاية للاستخدام العملي.

يصف العلماء الإنترنت بأنه أحد أكثر الخيارات طموحًا لتطبيق أبحاثهم. وفقًا للباحثين أنفسهم ، فإن نقل البيانات عبر الألياف البصرية ليس ابتكارًا ، ولكن في الوجهة ، لا يزال يتم تحويل الضوء إلى كهرباء. يمكن للمواد ذات الثغرات في الشريط الضوئي أن توجه الضوء بشكل أكثر دقة من الكابلات التقليدية للألياف الضوئية ، ويمكن أن تعمل بمثابة ترانزستورات ضوئية تؤدي عمليات حسابية باستخدام الضوء.

بغض النظر عن مدى عظمة الخطط ، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به. ومع ذلك ، لا يمكن لتعقيد البحث ولا تعقيد التجارب أن يهزم حماسة العلماء ورغبتهم في تحسين عالم التكنولوجيا.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة ، شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك ، سحابة VPS للمطورين من 4.99 دولار ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 النوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 دولار أو كيفية مشاركة خادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟