Hindernislauf für Licht: Flüssigkristalle helfen

Die Schaffung einer Technologie oder eines Materials ist mit der Tatsache ihrer Unvollkommenheit verbunden. Auf die eine oder andere Weise wird es Fehler geben. Manchmal erheblich, was den Betrieb eines bestimmten Systems stark beeinträchtigt und dementsprechend viel Zeit und Mühe für die Fertigstellung erfordert. Und manchmal können die Fehler diejenigen sein, mit denen wir uns abfinden können. Aber sollte? Ich denke nicht. Etwas zu verbessern ist nie zu spät. Genau das denken unsere heutigen Helden - Wissenschaftler, die beschlossen haben, photonische Kristalle zu verbessern. Heute lernen wir in einer Studie, wie sich topologische Isolatoren, Partikelstreuung, Flüssigkristalle und Lichtwellen verbinden. Lass uns gehen.

Lyrischer (theoretischer) Exkurs

Für den Anfang sollten Sie ein wenig auf die Theorie achten (wenn auch ein wenig, haben Sie keine Angst).

Im Prolog erwähnte ich "photonische Kristalle", aber was ist das? Dies ist ein sehr ungewöhnliches Material, dessen Hauptmerkmal die Periodizität von Änderungen des Brechungskoeffizienten (Index) seiner Struktur ist. Diese These kann durch die Tatsache ergänzt werden, dass photonische Kristalle aufgrund ihrer Besonderheit es ermöglichen, erlaubte und verbotene Zonen für Photonenenergien zu erhalten. Diese Zonen sind uns dank Halbleitern bekannt, wo sie bereits mit der Energie von Ladungsträgern - Teilchen, die eine elektrische Ladung tragen - "befehligen".


Photonische Kristalle sind in den Flügeln von Schmetterlingen vorhanden (Beugungsgitter).

Bei photonischen Kristallen hängt alles von der Länge der Lichtwelle ab. Wenn ein Photon mit einer Wellenlänge, die der verbotenen Zone entspricht, auf den Kristall fällt, breitet sich das Photon nicht aus und wird zurückreflektiert. Und umgekehrt, wenn die Energie des auf den Kristall einfallenden Photons "gleich" der zulässigen Zone ist, breitet sich das Photon im Kristall aus.

Es stellt sich heraus, dass der photonische Kristall nicht standardmäßige leitende Eigenschaften aufweist. Und das bringt uns zu einem anderen Konzept - topologischen Isolatoren.

Solche Isolatoren sind wie ein Sandwich (oder ein Sandwich, wenn jemand Anglizismus bevorzugt). Das heißt, außen ist die Struktur eines solchen Materials ein Isolator und innen ein Leiter. Bei klassischen topologischen Isolatoren ist sozusagen eines der Probleme die Partikelstreuung. Partikel - die Jungs sind mobil und ein wenig taktlos, weil sie während der Bewegung gerne pushen, was der Grund für die Änderung ihrer ursprünglichen Flugbahn ist. Solche Prozesse verursachen bestimmte Verluste, was natürlich schlecht ist.


Die Abhängigkeit der Energie vom Impuls: a - konventioneller Isolator, b - topologisch.

Die Wissenschaftler, über die wir heute sprechen, glauben, dass diese Probleme durch die Kombination von photonischen Kristallen und photonischen Siliziumtechnologien gelöst werden können. Vage irgendwie, denkst du nicht? Wissenschaftler geben jedoch schnell an, was genau sie verwenden möchten - Flüssigkristalle. Aber dieser Satz lässt dich schon wirklich eine Augenbraue hochziehen. Wie kann ein Kristall flüssig sein? Aber wie so oft in der Physik sollte nicht alles zu 100% wörtlich verstanden werden. Flüssigkristalle sind ein Zustand, in dem einige Substanzen unter extremen Bedingungen auftreten. In diesem Fall können diese Substanzen gleichzeitig die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Kristallen (Fließfähigkeit und Anisotropie) besitzen. Sie müssen irgendwann in Ihrem Leben Flüssigkristalle gesehen haben (elektronische Uhren, LCD-Fernseher, Handys usw.).


Arten von Flüssigkristallen in Phasen: a - nematisch, b - smektisch, c - cholesterisch.

Damit Flüssigkristalle ihre Rolle spielen können, ist es notwendig, die Kontrolle über topologische Randzustände zu erlangen. Dies kann durch Manipulieren des Brechungsindex eines Flüssigkristalls erreicht werden.

Eine interessante Arbeit, bei der Randzustände betroffen sind.

Studienbasis

Die von den Forschern erzeugte Struktur ist ein photonischer Kristall aus Siliziumsäulen (Säulen), die in ein Flüssigkristallmedium zwischen leitenden Elektroden eingetaucht sind (Bild 1a ).


Bild Nr. 1

Die Struktur besteht aus zwei Hauptbereichen: mit trivialer Topologie und mit nicht trivialer Topologie. Kleinere Bereiche werden als hexagonale Gitter mit jeweils sechs Spalten dargestellt. Jedes dieser Gitter ist ein Metamolekül (übertrieben, eine Ansammlung von Molekülen), das je nach Abstand zwischen den Säulen die Eigenschaften einer trivialen oder nichttrivialen Topologie der Zonen aufweisen kann.

Aufgrund der Tatsache, dass der photonische Kristall in ein Flüssigkristallmedium eingetaucht ist, können Wissenschaftler den Brechungsindex manipulieren. Darüber hinaus kann die Amplitude der gesteuerten Änderung dieses Parameters ziemlich groß sein. Steuerung und Manipulation werden durch ein externes elektrisches Feld erreicht, das von zwei Elektroden erhalten wird, die die Struktur von unten und oben „begrenzen“.

Der durchschnittliche Flüssigkristall hat einen Brechungsindex von 1,5 und die Doppelbrechung (wenn der Lichtstrahl in zwei Teile geteilt wird) liegt in der Größenordnung von 0,2. In dieser Studie wurde ein Flüssigkristall vom nematischen Typ E7 verwendet: Der absolute Brechungsindex betrug 1,51 und der außerordentliche Brechungsindex * betrug 1,69.

Außergewöhnlicher Brechungsindex * - wenn das Licht eine parallele Polarisation relativ zur optischen Achse hat.

Abbildung 1b zeigt, wie sich Flüssigkristallmoleküle parallel entlang Siliziumsäulen ausrichten (ON-Modus), wenn ein externes elektrisches Feld auf die Struktur einwirkt. In einer solchen Situation folgt das Licht ziemlich effektiv dem rautenförmigen Pfad, während sich der Randzustand in der volumetrisch verbotenen Zone befindet (Bild 1c ).

Der zweite „Modus“ der Struktur ist AUS - der Zustand der Struktur ohne Einwirkung eines elektrischen Feldes. In diesem Fall stehen die Moleküle senkrecht zu den Siliziumsäulen (Bild 1d ). Somit ändern sich die topologischen Eigenschaften der Struktur nicht, aber die Position der verbotenen Zone ändert sich. Licht beginnt sich über das Volumen der Struktur auszubreiten. Das heißt, das Licht passiert nicht den notwendigen Weg und seine großen Verluste werden dabei beobachtet. Dies ist in Bild 1e dargestellt .

Laut den Forschern sind kundenspezifische topologische Randzustände eine vielversprechende Grundlage für viele Technologien. Das Erhalten der Fähigkeit, Licht entlang eines gegebenen Weges mit minimalen Verlusten (idealerweise natürlich ohne Verluste) zu leiten, kann durch Manipulation mit Randzuständen erreicht werden.

In der untersuchten Struktur werden Randzustände zwischen topologischen und trivialen photonischen Kristallen gebildet. Die Gitter beider Kristalle haben unabhängig voneinander eine Art Symmetrie C6, die im Raum zwischen diesen beiden Basen der Struktur gebrochen ist. Die Verletzung der Symmetrie führt zum Auftreten einer Entartung zwischen Spinzuständen, und dies ermöglicht es ihnen, in der Nähe des Punktes Γ zu interagieren. Infolge dieser Wechselwirkung entsteht eine kleine Zone ("Lücke"). Trotz der Tatsache, dass die Randzustände nicht frei von solchen Zonen sind, können Sie ein Lichtübertragungssystem entlang eines bestimmten Pfades ohne Verlust erstellen.

Verluste entlang des Pfades können aus einer Reihe von Gründen auftreten: scharfe Kurven des Pfades, Defekte in der Struktur oder insbesondere im Kristall. Daher sollte die Struktur so funktionieren, dass sich das Licht trotz solcher Hindernisse verlustfrei bewegt. Zunächst ist es notwendig, dass es bei einer bestimmten Frequenz Randzustände gibt.


Bild Nr. 2

Die Wissenschaftler beschlossen, den photonischen Bandkristall zu analysieren, um das Vorhandensein nichttrivialer Randzustände in seiner Struktur zu bestätigen. Die Analyse zeigte das Vorhandensein von Rand- und Bulk-Zuständen. Und das ist das Problem. Da das Vorhandensein mindestens eines Bulk-Zustands selbst bei Vorhandensein von Randzuständen dazu führt, dass jedes Hindernis auf dem Weg des Lichts dazu führt, dass es im Bulk der Struktur gestreut wird, dh zu Verlusten (Bild 2). Als Schlussfolgerung muss man volumetrische Zustände loswerden.

Zum Beispiel verwenden wir den Z-förmigen Lichtweg. Ein solcher Weg ist aufgrund seiner nicht direkten Flugbahn mit Verlusten behaftet. Es gibt also zwei Möglichkeiten, das Licht ohne Verlust auf einen so ungewöhnlichen Weg zu führen. Die erste besteht darin, Metallelektroden zu verwenden, die das Licht innerhalb der Struktur des photonischen Kristalls „zurückhalten“. Leider hat diese Methode auch ihre Nachteile: Es wird immer noch Verluste geben, aber bereits auf dem Niveau der optischen Frequenzen. Die zweite Option ist viel attraktiver - die Elektroden in einem bestimmten Abstand von der Struktur des photonischen Kristalls zu platzieren. Der resultierende freie Raum kann mit einem Flüssigkristall gefüllt werden, der im Vergleich zur Hauptstruktur einen deutlich niedrigeren Brechungsindex aufweist.

Die Forscher fanden auch einen Grenzfrequenzbereich, in dem weder die gewünschten Randzustände noch die unerwünschten volumetrischen Zustände auftreten würden. Dies ist auf den Wunsch zurückzuführen, Schnittpunkte von Randzuständen zu vermeiden, die aufgrund der Verletzung der C6-Symmetrie auftreten können.

Der Brechungsindex beeinflusst auch die Größe und Position der Bandlücke der Struktur. Zum Beispiel zeigt Bild 2c , dass mit einem Indikator von 1,51 die Bandlücke den normalisierten Frequenzbereich von 0,441 bis 0,462 abdeckt. Bei einem Indikator von 1,69 ändert sich der Bereich jedoch - 0,433 ... 0,447 (Bild 2g ).


Bild Nr. 3

Für die weitere Analyse entschieden sich die Wissenschaftler für eine Frequenz von 0,433. Bild 3a (Brechungsindex 1,51) und 3d (Brechungsindex 1,69) zeigen, wie sich Licht mit einer solchen Frequenz bewegt.

Wenn der Brechungsindex 1,51 beträgt, treten die notwendigen Randzustände nicht auf, wodurch das Licht sozusagen nicht fokussiert und über die Struktur zu streuen beginnt. Kehren wir zur Verdeutlichung zu Bild Nr. 2 zurück, genauer zu d und g . Die normalisierte Frequenz 0,433 befindet sich unterhalb der Bandlücke der trivialen (rote Kurven) und topologischen (grüne Kurven) Bereiche des photonischen Kristalls. Wenn der Brechungsindex 1,69 beträgt, fällt die Frequenz 0,433 genau in die verbotene Zone beider Regionen.

Gleichzeitig führten die Wissenschaftler ein Experiment mit verschiedenen Brechungsindizes durch. Dies wurde durch den getrennten Einfluss eines externen elektrischen Feldes auf die trivialen und topologischen Regionen getrennt erreicht. Die Elektroden sind durch einen dünnen Isolatorfilm getrennt. Die Bandlückenanalyse in diesem Experiment ist in den Bildern 2e und 2f gezeigt . Die Ausbreitung von Licht entlang des Weges mit einem Rhomboiddefekt ist in 3b und 3c gezeigt . In diesem Experiment breitet sich wieder Licht durch die Struktur aus. Infolgedessen müssen beide Bereiche der Struktur, topologisch und trivial, den gleichen Brechungsindex haben.

Sie können sich durch den Bericht der Forschungsgruppe mit den Details der Studie, insbesondere mit den Berechnungen, vertraut machen.

Nachwort

Den Forschern gelang es, mithilfe von Manipulationen mit den Brechungsindizes der Strukturelemente ein System zu schaffen, in dem Licht ohne Verluste auf einem komplexen (nichtlinearen) Pfad übertragen werden kann. Die notwendigen Bedingungen, um ein ähnliches Ergebnis zu erhalten, wurden festgestellt: das Vorhandensein nichttrivialer topologischer Randzustände und das Fehlen von Massenzuständen. Die Forscher stellten außerdem fest, dass der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem trivialen und dem topologischen Bereich die Lichtdurchlässigkeit negativ beeinflusst, was zu Lichtstreuung und folglich zu Verlusten führt.

Die Verwendung von Flüssigkristallen in Verbindung mit Silizium ermöglichte es, bestimmte Eigenschaften der Struktur zu steuern, zu modifizieren und zu manipulieren, wodurch sie auf das gewünschte Ergebnis eingestellt wurde.

Diese Studie zeigt einmal mehr das unglaubliche Potenzial von Flüssigkristallen als wesentliches Element zur Verbesserung der Datenübertragungstechnologien sowie ihrer Verarbeitung. Diese Technologie ist nicht neu, aber bei weitem nicht alle Variationen ihrer Anwendung wurden entdeckt. Je mehr Wissenschaftler finden, desto einfacher ist es für die Technologie, sich weiterzuentwickeln. Und selbst wenn der offene Weg in Zukunft nicht mehr genutzt wird, kann er anderen Forschern als Anstoß dienen, sich zurechtzufinden. Wettbewerb ist nicht nur in der Wirtschaft, sondern auch in der Forschung von Nutzen.

Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s bis Dezember kostenlos, wenn Sie für einen Zeitraum von sechs Monaten bezahlen, können Sie hier bestellen.

Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 GB DDR4 6 x 480 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 249 US-Dollar in den Niederlanden und den USA! Lesen Sie mehr über den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?