Obstacle Run for Light: cristaux liquides pour aider

La création de toute technologie ou matière est associée au fait de son imperfection. D'une manière ou d'une autre, il y aura des défauts. Parfois important, affectant considérablement le fonctionnement d'un système particulier et, par conséquent, nécessitant beaucoup de temps et d'efforts pour être finalisé. Et parfois, les défauts peuvent être ceux que nous pouvons supporter. Mais le devrait? Je pense que non. Améliorer quelque chose n'est jamais trop tard. C'est exactement ce que pensent nos héros d'aujourd'hui - des scientifiques qui ont décidé d'améliorer les cristaux photoniques. Aujourd'hui, nous apprendrons comment les isolants topologiques, la diffusion des particules, les cristaux liquides et les ondes lumineuses se combinent dans une étude. Allons-y.

Digression lyrique (théorique)

Pour commencer, vous devriez faire un peu attention à la théorie (bien qu'un peu, n'ayez pas peur).

Dans le prologue, j'ai mentionné les «cristaux photoniques», mais qu'est-ce que c'est? Il s'agit d'un matériau très inhabituel, dont la principale caractéristique est la périodicité des changements du coefficient (indice) de réfraction dans sa structure. En creusant plus profondément, cette thèse peut être complétée par le fait qu'en raison de leur particularité, les cristaux photoniques permettent d'obtenir des zones autorisées et interdites pour les énergies photoniques. Ces zones nous sont familières grâce aux semi-conducteurs, où ils "travaillent" déjà en commande avec l'énergie des porteurs de charges - des particules qui portent une charge électrique.


Des cristaux photoniques sont présents dans les ailes des papillons (réseaux de diffraction).

Dans le cas des cristaux photoniques, tout dépend de la longueur de l'onde lumineuse. Si un photon avec une longueur d'onde correspondant à la zone interdite est incident sur le cristal, le photon ne se propage pas et est réfléchi. Et vice versa, si l'énergie du photon incident sur le cristal est "égale" à la zone autorisée, alors le photon se propage dans le cristal.

Il s'avère que le cristal photonique a des propriétés conductrices non standard. Et cela nous amène à un autre concept - les isolants topologiques.

Ces isolateurs sont comme un sandwich (ou un sandwich, si quelqu'un préfère l'anglicisme). Autrement dit, à l'extérieur, la structure d'un tel matériau est un isolant et à l'intérieur - un conducteur. Pour ainsi dire dans les isolants topologiques classiques, l'un des problèmes est la diffusion des particules. Particules - les gars sont mobiles et un peu sans tact, car pendant le mouvement ils aiment pousser, ce qui est la raison du changement de leur trajectoire initiale. De tels processus provoquent certaines pertes, ce qui, bien sûr, est mauvais.


La dépendance de l'énergie à la quantité de mouvement: a - isolant conventionnel, b - topologique.

Les scientifiques, dont nous parlons aujourd'hui, pensent que ces problèmes peuvent être résolus en combinant les cristaux photoniques et les technologies photoniques au silicium. D'une manière ou d'une autre vaguement, ne pensez-vous pas? Mais les scientifiques précisent rapidement ce qu'ils ont exactement décidé d'utiliser - des cristaux liquides. Mais cette phrase vous fait déjà vraiment lever un sourcil. Comment un cristal peut-il être liquide? Mais, comme cela arrive souvent en physique, tout ne doit pas être compris à 100% littéralement. Les cristaux liquides sont un état dans lequel certaines substances vont dans des conditions extrêmes. Dans ce cas, ces substances peuvent posséder simultanément les propriétés des liquides et des cristaux (fluidité et anisotropie). Vous devez avoir vu des cristaux liquides à un moment de votre vie (horloges électroniques, téléviseurs LCD, téléphones portables, etc.).


Types de cristaux liquides en phases: a - nématique, b - smectique, c - cholestérique.

Pour que les cristaux liquides jouent leur rôle, il est nécessaire de contrôler les états de bord topologiques. Ceci peut être réalisé en manipulant l'indice de réfraction d'un cristal liquide.

Un travail intéressant dans lequel les états de bord sont affectés.

Base d'étude

La structure créée par les chercheurs est un cristal photonique constitué de colonnes (piliers) en silicium immergé dans un milieu cristal liquide entre des électrodes conductrices (image 1a ).


Image n ° 1

La structure se compose de deux zones principales: avec topologie triviale et avec topologie non triviale. Les zones plus petites sont représentées par des réseaux hexagonaux avec six colonnes chacune. Chacun de ces réseaux est une méta-molécule (exagérée, une collection de molécules), qui peut avoir les caractéristiques d'une topologie triviale ou non triviale de zones en fonction de la distance entre les colonnes.

En raison du fait que le cristal photonique est immergé dans un milieu à cristaux liquides, les scientifiques peuvent manipuler l'indice de réfraction. De plus, l'amplitude de la variation contrôlée de ce paramètre peut être assez importante. Le contrôle et la manipulation sont obtenus grâce à un champ électrique externe obtenu à partir de deux électrodes qui «limitent» la structure d'en bas et d'en haut.

Le cristal liquide moyen a un indice de réfraction de 1,5, et la biréfringence (lorsque le faisceau lumineux est divisé en deux) est de l'ordre de 0,2. Dans cette étude, un cristal liquide de type nématique E7 a été utilisé: l'indice de réfraction absolu était de 1,51 et l' indice de réfraction extraordinaire * était de 1,69.

Indice de réfraction extraordinaire * - lorsque la lumière a une polarisation parallèle par rapport à l'axe optique.

La figure 1b montre comment les molécules de cristaux liquides s'alignent en parallèle le long des colonnes de silicium (mode ON) lorsqu'un champ électrique externe agit sur la structure. Dans une telle situation, la lumière suit assez efficacement la trajectoire en forme de losange, tandis que l'état du bord est situé dans la zone interdite volumétrique (image 1c ).

Le deuxième «mode» de la structure est OFF - l'état de la structure sans exposition à un champ électrique. Dans ce cas, les molécules sont perpendiculaires aux colonnes de silicium (image 1d ). Ainsi, les caractéristiques topologiques de la structure ne changent pas, mais la position de la zone interdite change. La lumière commence à se répandre dans tout le volume de la structure. Autrement dit, la lumière ne passe pas le long du chemin nécessaire, et ses grandes pertes sont observées au cours du processus. Ceci est illustré dans l'image 1e .

Selon les chercheurs, les états de bord topologiques personnalisés sont une base très prometteuse pour de nombreuses technologies. L'obtention de la capacité de conduire la lumière le long d'un chemin donné avec des pertes minimales (idéalement, bien sûr, sans pertes) peut être obtenue grâce à la manipulation des états de bord.

Dans la structure étudiée, des états de bord se forment entre les cristaux photoniques topologiques et triviaux. Les réseaux des deux cristaux, indépendamment l'un de l'autre, ont un type de symétrie C6, qui est rompu dans l'espace entre ces deux bases de la structure. La violation de la symétrie conduit à l'apparition d'une dégénérescence entre les états de spin, ce qui leur permet d'interagir près du point Γ. À la suite de cette interaction, une petite zone («écart») apparaît. Mais, malgré le fait que les états de bord ne sont pas dépourvus de telles zones, ils vous permettent de créer un système de transmission de lumière le long d'un chemin donné sans perte.

Des pertes le long du chemin peuvent se produire pour un certain nombre de raisons: des virages brusques du chemin, des défauts structurels ou le cristal en particulier. Ainsi, la structure devrait fonctionner de telle manière que, malgré de tels obstacles, la lumière se déplace sans perte. Tout d'abord, il faut qu'il y ait des états de front à une fréquence donnée.


Image n ° 2

Les scientifiques ont décidé d'analyser le cristal photonique du ruban afin de confirmer la présence d'états de bord non triviaux dans sa structure. L'analyse a montré la présence d'états de bord et de masse. Et c'est ça le problème. Étant donné que la présence d'au moins un état global, même en présence d'états de bord, conduira au fait que tout obstacle sur le chemin de la lumière le fera se disperser dans la majeure partie de la structure, c'est-à-dire à des pertes (image 2). En conclusion, il faut se débarrasser des états volumétriques.

Par exemple, nous utilisons le chemin de lumière en forme de Z. Un tel chemin est lourd de pertes, du fait de sa trajectoire non directe. Il y a donc deux options pour diriger la lumière le long d'un chemin aussi inhabituel sans perte. La première consiste à utiliser des électrodes métalliques qui «retiendront» la lumière à l'intérieur de la structure du cristal photonique. Malheureusement, cette méthode a aussi ses inconvénients: il y aura toujours des pertes, mais déjà au niveau des fréquences optiques. La deuxième option est beaucoup plus intéressante: placer les électrodes à une certaine distance de la structure du cristal photonique. L'espace libre résultant peut être rempli d'un cristal liquide, qui a un indice de réfraction significativement plus faible par rapport à la structure principale.

Les chercheurs ont également découvert une plage de fréquences limite à laquelle ni les états de bord souhaités ni les états volumétriques indésirables ne se produiraient. Cela est dû au désir d'éviter les intersections d'états de bord qui peuvent survenir en raison de la violation de la symétrie C6.

L'indice de réfraction affecte également la taille et l'emplacement de la bande interdite de la structure. Par exemple, l'image 2c montre qu'avec un indicateur de 1,51, la bande interdite couvre la plage de fréquence normalisée 0,441 ... 0,462. Mais avec un indicateur de 1,69, la plage change - 0,433 ... 0,447 (image 2g ).


Image n ° 3

Pour une analyse plus approfondie, les scientifiques ont décidé de choisir une fréquence de 0,433. Les images 3a (indice de réfraction 1,51) et 3d (indice de réfraction 1,69) montrent comment la lumière se déplace à une telle fréquence.

Lorsque l'indice de réfraction est de 1,51, les états de bord nécessaires ne se produisent pas, à cause de quoi la lumière ne se concentre pas, pour ainsi dire, et commence à se disperser sur la structure. Revenons à l'image n ° 2, plus précisément, à d et g , pour clarification. La fréquence normalisée 0,433 est située sous la bande interdite des régions triviales (courbes rouges) et topologiques (courbes vertes) du cristal photonique. Si l'indice de réfraction est de 1,69, alors la fréquence 0,433 tombe juste dans la zone interdite des deux régions.

Les scientifiques ont également mené une expérience avec différents indices de réfraction en même temps. Ceci a été réalisé par l'influence séparée d'un champ électrique externe sur les régions triviales et topologiques séparément. Les électrodes sont séparées par un mince film d'isolant. L'analyse de la bande interdite dans cette expérience est montrée dans les images 2e et 2f . Et la propagation de la lumière le long du chemin avec un défaut rhomboïde est représentée en 3b et 3c . Dans cette expérience, la lumière se propage à nouveau à travers la structure. En conséquence, les deux régions de la structure, topologique et triviale, doivent avoir le même indice de réfraction.

Vous pouvez vous familiariser avec les détails de l'étude, notamment avec les calculs, à travers le rapport du groupe de recherche .

Épilogue

Les chercheurs ont réussi à créer un système dans lequel la lumière peut être transmise le long d'un chemin complexe (non linéaire) sans perte, en utilisant des manipulations avec les indices de réfraction des éléments structuraux. Les conditions nécessaires à l'obtention d'un résultat similaire ont été notées: la présence d'états de bord topologiques non triviaux et l'absence d'états globaux. Les chercheurs ont également noté que la différence d'indice de réfraction entre les régions triviales et topologiques affecte négativement la transmission de la lumière, conduisant à une diffusion de la lumière et, par conséquent, à des pertes.

L'utilisation de cristaux liquides en conjonction avec du silicium a permis de contrôler, de modifier et de manipuler certaines caractéristiques de la structure, l'ajustant ainsi au résultat souhaité.

Cette étude montre une fois de plus le potentiel incroyable des cristaux liquides, en tant qu'élément intégral de l'amélioration des technologies de transfert de données, ainsi que de leur traitement. Cette technologie n'est pas nouvelle, mais de loin toutes les variantes de son application n'ont pas été découvertes. Plus il y a de scientifiques, plus la technologie évolue facilement. Et même si la voie ouverte n'est pas utilisée à l'avenir, elle peut servir d'impulsion pour que d'autres chercheurs trouvent leur chemin. La concurrence est utile non seulement en économie, mais aussi en recherche.

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