बाधा दौड़ प्रकाश के लिए: तरल क्रिस्टल मदद करने के लिए

किसी भी तकनीक या सामग्री का निर्माण उसकी अपूर्णता के तथ्य से जुड़ा हुआ है। एक तरह से या दूसरे में खामियां होंगी। कभी-कभी महत्वपूर्ण, एक विशेष प्रणाली के संचालन को बहुत प्रभावित करता है, और, तदनुसार, अंतिम रूप देने के लिए बहुत समय और प्रयास की आवश्यकता होती है। और कभी-कभी दोष वे हो सकते हैं जिनके साथ हम डाल सकते हैं। लेकिन चाहिए? मुझे नहीं लगता। किसी चीज में सुधार करना कभी देर नहीं होती। यह वही है जो आज के हमारे नायकों को लगता है - वैज्ञानिकों ने फोटोनिक क्रिस्टल में सुधार करने का फैसला किया। आज हम जानेंगे कि एक अध्ययन में टोपोलॉजिकल इंसुलेटर, पार्टिकल स्कैटरिंग, लिक्विड क्रिस्टल और लाइट वेव्स कैसे संयोजित होते हैं। चलो चलते हैं।

गीतात्मक (सैद्धांतिक) विषयांतर

शुरुआत के लिए, आपको सिद्धांत पर थोड़ा ध्यान देना चाहिए (हालांकि थोड़ा, डरो मत)।

प्रस्तावना में, मैंने "फोटोनिक क्रिस्टल" का उल्लेख किया, लेकिन यह क्या है? यह एक बहुत ही असामान्य सामग्री है, जिसकी मुख्य विशेषता इसकी संरचना में अपवर्तन के गुणांक (सूचकांक) में परिवर्तन की आवधिकता है। गहरी खुदाई, इस थीसिस को इस तथ्य के साथ पूरक किया जा सकता है कि उनकी ख़ासियत के कारण, फोटोनिक क्रिस्टल फोटॉन ऊर्जा के लिए अनुमत और निषिद्ध क्षेत्र प्राप्त करना संभव बनाते हैं। ये क्षेत्र अर्धचालक के लिए हमारे परिचित हैं, जहां वे पहले से ही चार्ज वाहक की ऊर्जा के साथ कमांड में "काम" करते हैं - कण जो एक इलेक्ट्रिक चार्ज ले जाते हैं।


फोटोग्राफिक क्रिस्टल तितलियों (विवर्तन झंझरी) के पंखों में मौजूद होते हैं।

फोटोनिक क्रिस्टल के मामले में, सब कुछ प्रकाश तरंग की लंबाई पर निर्भर करता है। यदि निषिद्ध क्षेत्र के अनुरूप तरंग दैर्ध्य वाला एक फोटॉन क्रिस्टल पर घटना करता है, तो फोटॉन प्रचार नहीं करता है और वापस परिलक्षित होता है। और इसके विपरीत, यदि क्रिस्टल पर फोटॉन घटना की ऊर्जा अनुमत क्षेत्र के लिए "बराबर" है, तो क्रिस्टल में फोटॉन का प्रसार होता है।

यह पता चला है कि फोटोनिक क्रिस्टल में गैर-मानक प्रवाहकीय गुण हैं। और यह हमें एक और अवधारणा में लाता है - टोपोलॉजिकल इंसुलेटर।

इस तरह के इंसुलेटर एक सैंडविच (या सैंडविच की तरह होते हैं, अगर कोई एंग्लिज़्म पसंद करता है)। यही है, इस तरह की सामग्री की संरचना के बाहर एक इन्सुलेटर है, और अंदर - एक कंडक्टर। इसलिए, बोलने के लिए, शास्त्रीय सामयिक इन्सुलेटर, समस्याओं में से एक कण बिखरने वाला है। कण - लोग मोबाइल और थोड़े अशांत हैं, क्योंकि आंदोलन के दौरान वे धक्का देना पसंद करते हैं, जो उनके प्रारंभिक प्रक्षेपवक्र में परिवर्तन का कारण है। ऐसी प्रक्रियाओं से कुछ नुकसान होते हैं, जो निश्चित रूप से खराब है।


गति पर ऊर्जा की निर्भरता: एक - पारंपरिक इन्सुलेटर, बी - टोपोलॉजिकल।

आज हम जिन वैज्ञानिकों के बारे में बात कर रहे हैं, उनका मानना ​​है कि इन समस्याओं को फोटोनिक क्रिस्टल और सिलिकॉन फोटोनिक प्रौद्योगिकियों के संयोजन से हल किया जा सकता है। अजीब तरह से किसी भी तरह, क्या आपको नहीं लगता? लेकिन वैज्ञानिक जल्दी से निर्दिष्ट करते हैं कि उन्होंने वास्तव में उपयोग करने का फैसला क्या किया - तरल क्रिस्टल। लेकिन यह वाक्यांश पहले से ही वास्तव में आपको एक भौं उठा देता है। एक क्रिस्टल तरल कैसे हो सकता है? लेकिन, जैसा कि अक्सर भौतिकी में होता है, सब कुछ 100% शाब्दिक रूप से नहीं समझा जाना चाहिए। लिक्विड क्रिस्टल एक ऐसी अवस्था है जिसमें कुछ पदार्थ अत्यधिक परिस्थितियों में चले जाते हैं। इस मामले में, ये पदार्थ एक साथ तरल पदार्थ और क्रिस्टल (तरलता और अनिसोट्रॉपी) के गुणों के अधिकारी हो सकते हैं। आपने अपने जीवन के कुछ बिंदु (इलेक्ट्रॉनिक घड़ियों, एलसीडी टीवी, सेल फोन आदि) पर तरल क्रिस्टल को देखा होगा।


चरणों में तरल क्रिस्टल के प्रकार: ए - नेमैटिक, बी - स्मेक्टिक, सी - कोलेस्टरिक।

अपनी भूमिका निभाने के लिए लिक्विड क्रिस्टल के लिए, टोपोलॉजिकल एज स्टेट्स पर नियंत्रण हासिल करना आवश्यक है। यह एक लिक्विड क्रिस्टल के अपवर्तक सूचकांक में हेरफेर करके प्राप्त किया जा सकता है।

एक दिलचस्प काम जिसमें किनारे के राज्य प्रभावित होते हैं।

अध्ययन का आधार

शोधकर्ताओं द्वारा बनाई गई संरचना प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड (छवि 1 ए ) के बीच एक तरल क्रिस्टल माध्यम में डूबे सिलिकॉन कॉलम (स्तंभ) से बना एक फोटोनिक क्रिस्टल है।


चित्र संख्या 1

संरचना में दो मुख्य क्षेत्र होते हैं: तुच्छ टोपोलॉजी के साथ और गैर-तुच्छ टोपोलॉजी के साथ। छोटे क्षेत्रों को प्रत्येक में छह स्तंभों के साथ हेक्सागोनल लैटिस के रूप में दर्शाया जाता है। प्रत्येक ऐसी जाली एक मेटा-अणु (अतिरंजित, अणुओं का एक संग्रह) होती है, जिसमें स्तंभों के बीच की दूरी के आधार पर ज़ोन के एक तुच्छ या nontrivial टोपोलॉजी की विशेषताएं हो सकती हैं।

इस तथ्य के कारण कि फोटोनिक क्रिस्टल एक तरल क्रिस्टल माध्यम में डूब जाता है, वैज्ञानिक अपवर्तक सूचकांक में हेरफेर कर सकते हैं। इसके अलावा, इस पैरामीटर में नियंत्रित परिवर्तन का आयाम काफी बड़ा हो सकता है। नियंत्रण और हेरफेर दो इलेक्ट्रोड से प्राप्त एक बाहरी विद्युत क्षेत्र के कारण प्राप्त होता है जो नीचे और ऊपर से संरचना को "सीमित" करता है।

औसत लिक्विड क्रिस्टल का अपवर्तक सूचकांक 1.5 होता है, और बायरफ्रींग (जब प्रकाश बीम दो में विभाजित होता है) 0.2 के क्रम का होता है। इस अध्ययन में, Nematic प्रकार E7 के एक लिक्विड क्रिस्टल का उपयोग किया गया था: निरपेक्ष अपवर्तनांक 1.51 था, और असाधारण अपवर्तनांक * 1.69 था।

असाधारण अपवर्तक सूचकांक * - जब प्रकाश में ऑप्टिकल अक्ष के सापेक्ष एक समानांतर ध्रुवीकरण होता है।

चित्रा 1 बी से पता चलता है कि जब एक बाहरी विद्युत क्षेत्र संरचना पर कार्य करता है तो लिक्विड क्रिस्टल अणु सिलिकॉन कॉलम (मोड) के साथ समानांतर में कैसे पंक्तिबद्ध होते हैं । ऐसी स्थिति में, प्रकाश काफी प्रभावी रूप से हीरे के आकार के पथ का अनुसरण करता है, जबकि किनारे की स्थिति वॉल्यूमेट्रिक निषिद्ध क्षेत्र (छवि 1 सी ) में स्थित है।

संरचना का दूसरा "मोड" ऑफ है - एक विद्युत क्षेत्र के संपर्क के बिना संरचना की स्थिति। इस मामले में, अणु सिलिकॉन कॉलम (छवि 1 डी ) के लंबवत हैं। इस प्रकार, संरचना की सामयिक विशेषताएं नहीं बदलती हैं, लेकिन निषिद्ध क्षेत्र की स्थिति बदल जाती है। संरचना के आयतन में प्रकाश फैलने लगता है। यही है, प्रकाश आवश्यक पथ के साथ नहीं गुजरता है, और प्रक्रिया में इसके बड़े नुकसान देखे जाते हैं। यह चित्र 1e में दिखाया गया है।

शोधकर्ताओं के अनुसार, कस्टम टोपोलॉजिकल एज स्टेट्स कई तकनीकों के लिए एक बहुत ही आशाजनक आधार हैं। कम से कम नुकसान के साथ दिए गए मार्ग के साथ प्रकाश का संचालन करने की क्षमता प्राप्त करना (आदर्श रूप से, निश्चित रूप से, बिना नुकसान के) बढ़त राज्यों के साथ हेरफेर के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।

अध्ययन के तहत संरचना में, एज स्टेट्स टोपोलॉजिकल और ट्रिवियल फोटोनिक क्रिस्टल के बीच बनते हैं। एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से, दोनों क्रिस्टल के अक्षांशों में एक प्रकार का समरूपता C6 होता है, जो संरचना के इन दो आधारों के बीच के अंतरिक्ष में टूट जाता है। समरूपता का उल्लंघन स्पिन राज्यों के बीच पतन की उपस्थिति की ओर जाता है, और यह उन्हें बिंदु the के पास बातचीत करने की अनुमति देता है। इस सहभागिता के परिणामस्वरूप, एक छोटा क्षेत्र ("गैप") उत्पन्न होता है। लेकिन, इस तथ्य के बावजूद कि किनारे के राज्य ऐसे क्षेत्रों से रहित नहीं हैं, वे आपको नुकसान के बिना दिए गए पथ के साथ एक प्रकाश संचरण प्रणाली बनाने की अनुमति देते हैं।

पथ के साथ नुकसान कई कारणों से हो सकता है: पथ के तेज मोड़, संरचना में दोष या विशेष रूप से क्रिस्टल। इस प्रकार, संरचना को इस तरह से काम करना चाहिए, ऐसी बाधाओं के बावजूद, प्रकाश बिना नुकसान के यात्रा करता है। सबसे पहले, यह आवश्यक है कि किसी दिए गए आवृत्ति पर किनारे वाले राज्य हों।


चित्र संख्या 2

वैज्ञानिकों ने अपनी संरचना में nontrivial किनारे राज्यों की उपस्थिति की पुष्टि करने के लिए रिबन फोटोनिक क्रिस्टल का विश्लेषण करने का निर्णय लिया। विश्लेषण में किनारे और थोक दोनों राज्यों की उपस्थिति दिखाई दी। और यही समस्या है। चूंकि कम से कम एक थोक राज्य की उपस्थिति, यहां तक ​​कि किनारे के राज्यों की उपस्थिति में, इस तथ्य को जन्म देगा कि प्रकाश के मार्ग में किसी भी बाधा से संरचना के थोक में, यानी नुकसान (छवि 2) में बिखराव हो जाएगा। निष्कर्ष के रूप में, किसी को वॉल्यूमेट्रिक राज्यों से छुटकारा पाने की आवश्यकता है।

उदाहरण के लिए, हम प्रकाश के जेड-आकार के पथ का उपयोग करते हैं। इस तरह का एक रास्ता नुकसान से भरा है, इसके प्रत्यक्ष प्रक्षेपवक्र नहीं होने के कारण। तो, नुकसान के बिना इस तरह के एक असामान्य रास्ते के साथ प्रकाश का नेतृत्व करने के लिए दो विकल्प हैं। पहला धातु इलेक्ट्रोड का उपयोग करना है जो फोटोनिक क्रिस्टल की संरचना के अंदर प्रकाश को "नियंत्रित" करेगा। दुर्भाग्य से, इस पद्धति की अपनी कमियां भी हैं: अभी भी नुकसान होगा, लेकिन पहले से ही ऑप्टिकल आवृत्तियों के स्तर पर। दूसरा विकल्प बहुत अधिक आकर्षक है - फोटोनिक क्रिस्टल की संरचना से इलेक्ट्रोड को एक निश्चित दूरी पर रखना। परिणामस्वरूप मुक्त स्थान को एक तरल क्रिस्टल से भरा जा सकता है, जिसमें मुख्य संरचना की तुलना में काफी कम अपवर्तक सूचकांक होता है।

शोधकर्ताओं ने एक सीमित आवृत्ति सीमा भी पाया, जिस पर न तो वांछित किनारे और न ही अवांछित वॉल्यूमेट्रिक राज्य उत्पन्न होंगे। यह सी 6 समरूपता के उल्लंघन के कारण उत्पन्न होने वाले किनारे वाले राज्यों के चौराहों से बचने की इच्छा के कारण है।

अपवर्तक सूचकांक संरचना के बैंड अंतराल के आकार और स्थान को भी प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, छवि 2c से पता चलता है कि 1.51 के एक संकेतक के साथ बैंड गैप सामान्यीकृत आवृत्ति रेंज 0.441 ... 0.462 को कवर करता है। लेकिन 1.69 के एक संकेतक के साथ, सीमा बदल जाती है - 0.433 ... 0.447 (छवि 2 जी )।


चित्र संख्या 3

आगे के विश्लेषण के लिए, वैज्ञानिकों ने 0.433 की आवृत्ति चुनने का फैसला किया। छवि 3 ए (अपवर्तक सूचकांक 1.51) और 3 डी (अपवर्तक सूचकांक 1.69) दिखाते हैं कि प्रकाश ऐसी आवृत्ति पर कैसे यात्रा करता है।

जब अपवर्तक सूचकांक 1.51 होता है, तो आवश्यक किनारा स्थिति उत्पन्न नहीं होती है, जिसके कारण प्रकाश ध्यान केंद्रित नहीं करता है, इसलिए बोलने के लिए, और संरचना पर बिखरना शुरू हो जाता है। स्पष्टीकरण के लिए आइए हम नंबर 2 पर जाएं, और अधिक सटीक रूप से डी और जी पर । सामान्यीकृत आवृत्ति 0.433 फोटोनिक क्रिस्टल के तुच्छ (लाल घटता) और टोपोलोजिकल (हरे रंग की वक्र) क्षेत्रों के बैंड अंतराल के नीचे स्थित है। यदि अपवर्तक सूचकांक 1.69 है, तो आवृत्ति 0.433 केवल दोनों क्षेत्रों के निषिद्ध क्षेत्र में आती है।

वैज्ञानिकों ने एक ही समय में विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ एक प्रयोग भी किया। यह एक बाहरी विद्युत क्षेत्र के अलग-अलग प्रभाव द्वारा अलग-अलग तुच्छ और स्थलीय क्षेत्रों पर अलग से प्राप्त किया गया था। इन्सुलेटर की एक पतली फिल्म द्वारा इलेक्ट्रोड को अलग किया जाता है। इस प्रयोग में बैंड गैप विश्लेषण छवियों 2e और 2f में दिखाया गया है। और हीरे के आकार के दोष के साथ मार्ग के साथ प्रकाश का प्रसार 3 बी और 3 सी में दिखाया गया है। इस प्रयोग में, प्रकाश फिर से संरचना के माध्यम से फैलता है। नतीजतन, संरचना, सामयिक और तुच्छ दोनों क्षेत्रों में समान अपवर्तक सूचकांक होना चाहिए।

आप अपने आप को अध्ययन के विवरण के साथ, विशेष रूप से गणना के साथ, अनुसंधान समूह की रिपोर्ट के माध्यम से परिचित कर सकते हैं।

उपसंहार

शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाने में कामयाबी हासिल की, जिसमें प्रकाश को बिना किसी नुकसान के एक जटिल (बिनालाइन) मार्ग के साथ प्रेषित किया जा सकता है, जो संरचनात्मक तत्वों के अपवर्तक सूचकांकों के साथ जोड़तोड़ का उपयोग करता है। एक समान परिणाम प्राप्त करने के लिए आवश्यक शर्तें नोट की गईं: nontrivial टोपोलॉजिकल एज राज्यों की उपस्थिति और थोक राज्यों की अनुपस्थिति। शोधकर्ताओं ने यह भी कहा कि तुच्छ और स्थलीय क्षेत्रों के बीच अपवर्तक सूचकांक में अंतर प्रकाश संचरण को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है, जिससे प्रकाश बिखर जाता है और परिणामस्वरूप, नुकसान होता है।

सिलिकॉन के साथ संयोजन में तरल क्रिस्टल के उपयोग ने संरचना की कुछ विशेषताओं को नियंत्रित, संशोधित और हेरफेर करना संभव बना दिया, जिससे यह वांछित परिणाम के लिए ट्यूनिंग हो गया।

यह अध्ययन एक बार फिर लिक्विड क्रिस्टल की अविश्वसनीय क्षमता को दर्शाता है, डेटा ट्रांसफर प्रौद्योगिकियों में सुधार के एक अभिन्न तत्व के रूप में, साथ ही साथ उनके प्रसंस्करण। यह तकनीक नई नहीं है, लेकिन अब तक इसके अनुप्रयोग के सभी रूपों की खोज नहीं की गई है। जितना अधिक वैज्ञानिक पाते हैं, तकनीक विकसित करना उतना ही आसान है। और यहां तक ​​कि अगर भविष्य में खुले रास्ते का उपयोग नहीं किया जाता है, तो यह अन्य शोधकर्ताओं के लिए अपना रास्ता खोजने के लिए एक प्रेरणा के रूप में काम कर सकता है। प्रतिस्पर्धा न केवल अर्थशास्त्र में, बल्कि अनुसंधान में भी उपयोगी है।

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