Obstáculo para la luz: cristales líquidos para ayudar

La creación de cualquier tecnología o material está asociada con el hecho de su imperfección. De una forma u otra habrá fallas. A veces es significativo, afecta mucho el funcionamiento de un sistema en particular y, en consecuencia, requiere mucho tiempo y esfuerzo para finalizar. Y a veces los defectos pueden ser aquellos con los que podemos aguantar. Pero deberia? Creo que no Mejorar algo nunca es demasiado tarde. Esto es exactamente lo que piensan nuestros héroes de hoy: científicos que decidieron mejorar los cristales fotónicos. Hoy aprenderemos cómo los aislantes topológicos, la dispersión de partículas, los cristales líquidos y las ondas de luz se combinan en un estudio. Vamos

Digresión lírica (teórica)

Para empezar, debes prestar un poco de atención a la teoría (aunque un poco, no tengas miedo).

En el prólogo, mencioné "cristales fotónicos", pero ¿qué es? Este es un material muy inusual, cuya característica principal es la periodicidad de los cambios en el coeficiente (índice) de refracción en su estructura. Profundizando, esta tesis puede complementarse con el hecho de que, debido a su peculiaridad, los cristales fotónicos permiten obtener zonas permitidas y prohibidas para las energías de los fotones. Estas zonas nos son familiares gracias a los semiconductores, donde ya "trabajan" al mando con la energía de los portadores de carga, partículas que llevan una carga eléctrica.


Los cristales fotónicos están presentes en las alas de las mariposas (rejillas de difracción).

En el caso de los cristales fotónicos, todo depende de la longitud de la onda de luz. Si un fotón con una longitud de onda correspondiente a la zona prohibida incide en el cristal, el fotón no se propaga y se refleja. Y viceversa, si la energía del fotón incidente en el cristal es "igual" a la zona permitida, entonces el fotón se propaga en el cristal.

Resulta que el cristal fotónico tiene propiedades conductoras no estándar. Y esto nos lleva a otro concepto: los aislantes topológicos.

Tales aislantes son como un sándwich (o un sándwich, si alguien prefiere el anglicismo). Es decir, en el exterior, la estructura de dicho material es un aislante, y en el interior, un conductor. En, por así decirlo, los aislantes topológicos clásicos, uno de los problemas es la dispersión de partículas. Partículas: los chicos son móviles y un poco sin tacto, porque durante el movimiento les gusta empujar, que es la razón del cambio en su trayectoria inicial. Tales procesos causan ciertas pérdidas, lo que, por supuesto, es malo.


La dependencia de la energía en el momento: a - aislante convencional, b - topológico.

Los científicos de los que estamos hablando hoy creen que estos problemas pueden resolverse combinando cristales fotónicos y tecnologías fotónicas de silicio. Vagamente de alguna manera, ¿no te parece? Pero los científicos especifican rápidamente qué es exactamente lo que decidieron usar: cristales líquidos. Pero esta frase ya te hace levantar una ceja. ¿Cómo puede un cristal ser líquido? Pero, como sucede a menudo en física, no todo debe entenderse 100% literalmente. Los cristales líquidos son un estado en el que algunas sustancias pasan bajo condiciones extremas. En este caso, estas sustancias pueden poseer simultáneamente las propiedades de líquidos y cristales (fluidez y anisotropía). Debe haber visto cristales líquidos en algún momento de su vida (relojes electrónicos, televisores LCD, teléfonos celulares, etc.).


Tipos de cristales líquidos en fases: a - nemático, b - esméctico, c - colestérico.

Para que los cristales líquidos desempeñen su papel, es necesario obtener control sobre los estados de borde topológicos. Esto se puede lograr manipulando el índice de refracción de un cristal líquido.

Un trabajo interesante en el que los estados de borde se ven afectados.

Base de estudio

La estructura creada por los investigadores es un cristal fotónico hecho de columnas de silicio (pilares) sumergidas en un medio de cristal líquido entre electrodos conductores (imagen 1a ).


Imagen No. 1

La estructura consta de dos áreas principales: con topología trivial y con topología no trivial. Las áreas más pequeñas se representan como redes hexagonales con seis columnas en cada una. Cada una de estas redes es una meta-molécula (exagerada, una colección de moléculas), que puede tener las características de una topología trivial o no trivial de las zonas dependiendo de la distancia entre las columnas.

Debido al hecho de que el cristal fotónico está sumergido en un medio de cristal líquido, los científicos pueden manipular el índice de refracción. Además, la amplitud del cambio controlado en este parámetro puede ser bastante grande. El control y la manipulación se logran debido a un campo eléctrico externo obtenido de dos electrodos que "limitan" la estructura desde abajo y desde arriba.

El cristal líquido promedio tiene un índice de refracción de 1.5, y la birrefringencia (cuando el haz de luz se divide en dos) es del orden de 0.2. En este estudio, se utilizó un cristal líquido de tipo nemático E7: el índice de refracción absoluto fue de 1,51 y el índice de refracción extraordinario * fue de 1,69.

Índice de refracción extraordinario * : cuando la luz tiene una polarización paralela en relación con el eje óptico.

La Figura 1b muestra cómo las moléculas de cristal líquido se alinean en paralelo a lo largo de las columnas de silicio (modo ON) cuando un campo eléctrico externo actúa sobre la estructura. En tal situación, la luz sigue con bastante eficacia el camino en forma de diamante, mientras que el estado del borde se encuentra en la zona prohibida volumétrica (imagen 1c ).

El segundo "modo" de la estructura es OFF: el estado de la estructura sin exposición a un campo eléctrico. En este caso, las moléculas son perpendiculares a las columnas de silicio (imagen 1d ). Por lo tanto, las características topológicas de la estructura no cambian, pero la posición de la zona prohibida cambia. La luz comienza a extenderse por todo el volumen de la estructura. Es decir, la luz no pasa por el camino necesario, y sus grandes pérdidas se observan en el proceso. Esto se muestra en la imagen 1e .

Según los investigadores, los estados de borde topológicos personalizados son una base muy prometedora para muchas tecnologías. La obtención de la capacidad de conducir la luz a lo largo de un camino dado con pérdidas mínimas (idealmente, por supuesto, sin pérdidas) se puede lograr mediante la manipulación con estados de borde.

En la estructura en estudio, los estados de borde se forman entre los cristales fotónicos topológicos y triviales. Las celosías de ambos cristales, independientemente entre sí, tienen un tipo de simetría C6, que se rompe en el espacio entre estas dos bases de la estructura. La violación de la simetría conduce a la aparición de degeneración entre los estados de espín, y esto les permite interactuar cerca del punto Γ. Como resultado de esta interacción, surge una pequeña zona ("brecha"). Pero, a pesar del hecho de que los estados de borde no carecen de tales zonas, le permiten crear un sistema de transmisión de luz a lo largo de un camino determinado sin pérdida.

Las pérdidas a lo largo del camino pueden ocurrir por varias razones: giros bruscos del camino, defectos en la estructura o cristal en particular. Por lo tanto, la estructura debería funcionar de tal manera que, a pesar de tales obstáculos, la luz viaje sin pérdida. En primer lugar, es necesario que haya estados de borde en una frecuencia dada.


Imagen No. 2

Los científicos decidieron analizar el cristal fotónico de la cinta para confirmar la presencia de estados de borde no triviales en su estructura. El análisis mostró la presencia de ambos estados de borde y de volumen. Y ese es el problema. Dado que la presencia de al menos un estado de masa, incluso en presencia de estados de borde, conducirá al hecho de que cualquier obstáculo en el camino de la luz hará que se disperse en la mayor parte de la estructura, es decir, pérdidas (imagen 2). Como conclusión, uno necesita deshacerse de los estados volumétricos.

Por ejemplo, usamos el camino de luz en forma de Z. Tal camino está lleno de pérdidas, debido a su trayectoria no directa. Por lo tanto, hay dos opciones para dirigir la luz a lo largo de un camino tan inusual sin pérdida. El primero es usar electrodos metálicos que "restringirán" la luz dentro de la estructura del cristal fotónico. Desafortunadamente, este método también tiene sus inconvenientes: aún habrá pérdidas, pero ya a nivel de frecuencias ópticas. La segunda opción es mucho más atractiva: colocar los electrodos a cierta distancia de la estructura del cristal fotónico. El espacio libre resultante se puede llenar con un cristal líquido, que tiene un índice de refracción significativamente menor en comparación con la estructura principal.

Los investigadores también encontraron un rango de frecuencia limitante en el cual no surgirían los estados de borde deseados ni los estados volumétricos no deseados. Esto se debe al deseo de evitar las intersecciones de los estados de borde que pueden surgir debido a la violación de la simetría C6.

El índice de refracción también afecta el tamaño y la ubicación del intervalo de banda de la estructura. Por ejemplo, la imagen 2c muestra que con un indicador de 1.51, el intervalo de banda cubre el rango de frecuencia normalizado 0.441 ... 0.462. Pero con un indicador de 1.69, el rango cambia: 0.433 ... 0.447 (imagen 2g ).


Imagen No. 3

Para un análisis más detallado, los científicos decidieron elegir una frecuencia de 0.433. La imagen 3a (índice de refracción 1.51) y 3d (índice de refracción 1.69) muestran cómo viaja la luz a tal frecuencia.

Cuando el índice de refracción es 1.51, los estados de borde necesarios no surgen, por lo que la luz no se enfoca, por así decirlo, y comienza a dispersarse sobre la estructura. Volvamos a la imagen No. 2, más precisamente, a d y g , para aclaración. La frecuencia normalizada 0.433 se encuentra debajo del intervalo de banda de las regiones triviales (curvas rojas) y topológicas (curvas verdes) del cristal fotónico. Si el índice de refracción es 1.69, entonces la frecuencia 0.433 cae justo en la zona prohibida de ambas regiones.

Los científicos también realizaron un experimento con diferentes índices de refracción al mismo tiempo. Esto se logró por la influencia separada de un campo eléctrico externo en las regiones triviales y topológicas por separado. Los electrodos están separados por una delgada película de aislante. El análisis de banda prohibida en este experimento se muestra en las imágenes 2e y 2f . Y la propagación de la luz a lo largo del camino con un defecto romboidal se muestra en 3b y 3c . En este experimento, la luz nuevamente se propaga a través de la estructura. Como resultado, ambas regiones de la estructura, topológica y trivial, deben tener el mismo índice de refracción.

Puede familiarizarse con los detalles del estudio, en particular con los cálculos, a través del informe del grupo de investigación .

Epílogo

Los investigadores lograron crear un sistema en el que la luz se puede transmitir a lo largo de un camino complejo (no lineal) sin pérdida, utilizando manipulaciones con los índices de refracción de los elementos estructurales. Se observaron las condiciones necesarias para obtener un resultado similar: la presencia de estados de borde topológicos no triviales y la ausencia de estados de masa. Los investigadores también observaron que la diferencia en el índice de refracción entre las regiones triviales y topológicas afecta negativamente la transmisión de la luz, lo que conduce a la dispersión de la luz y, en consecuencia, a las pérdidas.

El uso de cristales líquidos junto con el silicio permitió controlar, modificar y manipular ciertas características de la estructura, sintonizándola con el resultado deseado.

Este estudio muestra una vez más el increíble potencial de los cristales líquidos, como un elemento integral para mejorar las tecnologías de transferencia de datos, así como su procesamiento. Esta tecnología no es nueva, pero de lejos no se han descubierto todas las variaciones de su aplicación. Cuantos más científicos encuentren, más fácil será que la tecnología evolucione. E incluso si el camino abierto no se usa en el futuro, puede servir como un impulso para que otros investigadores encuentren su camino. La competencia es útil no solo en economía, sino también en investigación.

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