फोम के साथ प्रकाश कैसे पकड़ें: फोम-फोटॉन नेटवर्क

1887 में वापस, स्कॉटिश भौतिक विज्ञानी विलियम थॉमसन ने ईथर की संरचना के अपने ज्यामितीय मॉडल का प्रस्ताव किया, जो माना जाता है कि एक सर्वव्यापी माध्यम था, जिसके कंपन हमें प्रकाश सहित विद्युत चुम्बकीय तरंगों की तरह दिखाई देते हैं। ईथर सिद्धांत की पूर्ण विफलता के बावजूद, ज्यामितीय मॉडल का अस्तित्व बना रहा और 1993 में डेनिस वीर और रॉबर्ट फेलन ने संरचना का एक और उन्नत मॉडल प्रस्तावित किया, जो अंतरिक्ष को यथासंभव भरने में सक्षम है। तब से, यह मॉडल ज्यादातर गणितज्ञों या कलाकारों में रुचि रखता है, लेकिन हाल के शोध से पता चला है कि यह भविष्य की प्रौद्योगिकियों के लिए आधार बन सकता है जो बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करते हैं। वीयर-फेलन फोम क्या है, इसकी असामान्यता क्या है और इसका उपयोग प्रकाश को पकड़ने के लिए कैसे किया जा सकता है? हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट में इन और अन्य सवालों के जवाब पाएंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

अभी सौ साल पहले, वैज्ञानिक समुदाय में चारों तरफ किसी न किसी तरह के विषय में एक बहुत ही उत्सुक सिद्धांत था। इस सिद्धांत का उद्देश्य विद्युत चुम्बकीय तरंगों की प्रकृति की व्याख्या करना था। यह माना जाता था कि ईथर सब कुछ घेर लेता है और इन तरंगों का स्रोत है। ईथर के सिद्धांत का पालन करने वाली वैज्ञानिक खोजों ने इसे पूरी तरह से नष्ट कर दिया।


विलियम थॉमसन

हालांकि, 1887 में, जब ईथर का सिद्धांत ताकत और लोकप्रियता से भरा था, तो कई वैज्ञानिकों ने अपने विचार व्यक्त किए कि वास्तव में ईथर पूरे स्थान को कैसे भर सकता है। विलियम थॉमसन, जिसे लॉर्ड केल्विन के नाम से भी जाना जाता है, कोई अपवाद नहीं था। वह एक ऐसी संरचना की तलाश में था जो आदर्श रूप से अंतरिक्ष को भर दे ताकि कोई खाली क्षेत्र न हो। इन खोजों को बाद में "केल्विन कार्य" कहा गया।

एक आदिम उदाहरण: एक डिब्बे की कल्पना करें जिसमें कोला के डिब्बे हों। उनके बीच, बेलनाकार आकार के कारण, voids उत्पन्न होते हैं, अर्थात। अप्रयुक्त स्थान।

थॉमसन, इस धारणा के अलावा कि पृथ्वी 40 मिलियन वर्ष से अधिक पुरानी नहीं है, ने एक नई ज्यामितीय संरचना का प्रस्ताव दिया, जिसे डेनिस वीर और रॉबर्ट फेलन द्वारा सुधार किया गया था, और इसलिए उनके सम्मान में नाम दिया गया था।

वीर-फेलन संरचना कोशिकाओं पर आधारित है जो अंतरिक्ष को असंतुष्ट पॉलीहेड्रा से भरती है, और कोई खाली जगह नहीं है। मधुकोश, जिसे हम आमतौर पर मधुमक्खी के छत्ते के कारण हेक्सागोन के रूप में दर्शाते हैं, वास्तव में विभिन्न आकारों में आते हैं। क्यूबिक, ऑक्टाहेड्रल, टेट्राहेड्रल, रोम्बिक डोडेकाथ्रल, आदि हैं।


वार फेलन संरचना

वेइर-फेलन हनीकॉम्ब की ख़ासियत यह है कि वे विभिन्न ज्यामितीय आकृतियों से मिलकर बने होते हैं। इसके मूल में, यह समान आकार के बुलबुले का एक आदर्श फोम है।

इस फोम का पूर्वज भगवान केल्विन द्वारा प्रस्तावित किया गया था, जो हमारे लिए पहले से ही परिचित था। हालांकि, इसके संस्करण में छोटी क्यूबिक कोशिकाओं का समावेश था। केल्विन संरचना एक उत्तल सजातीय मधुकोश है जो एक छंटे हुए ऑक्टाहेड्रोन द्वारा बनाई गई थी, जो कि चार चेहरों के साथ एक पॉलीहेड्रॉन है, जो अंतरिक्ष (टेट्राडेकेड्रोन) को भरने के साथ 6 वर्ग के चेहरे और 8 हेक्सागोनल चेहरे के साथ है।

अंतरिक्ष को अधिकतम रूप से भरने का यह विकल्प लगभग सौ वर्षों के लिए आदर्श माना जाता था, 1993 तक, वीर और फेलन ने अपनी संरचना को खोल दिया।


पेंटागन और डिकाहेड्रोन

वीर-फेलन सेल और इसके पूर्ववर्ती के बीच मुख्य अंतर दो प्रकार के घटक तत्वों का उपयोग है, जो, हालांकि, एक ही मात्रा है: एक पेंटागन-डोडेकेहेड्रॉन (टेट्राहेड्रल सिमिट्री के लिए एक टेट्राहेड्रोन) और घूर्णी समरूपता के साथ एक टेट्राहेड्रोन।

आज हम जिस काम पर विचार कर रहे हैं, उसमें प्रिंसटन यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने फोटोनिक्स में वियर-फेलान फोम का इस्तेमाल करने का फैसला किया। सबसे पहले, यह पता लगाना आवश्यक था कि क्या सभी दिशाओं में और एक व्यापक आवृत्ति रेंज में सभी ध्रुवीकरणों के लिए इस तरह के फोम ब्लॉक प्रकाश प्रसार के फोटोनिक बैंड अंतराल (पीबीजी) हैं।

अपने अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने दर्शाया कि वीर-फेलन फोम पर आधारित तीन-आयामी फोटॉन नेटवर्क महत्वपूर्ण पीबीजी (16.9%) को आइसोट्रॉपी * के उच्च स्तर के साथ ले जाता है, जो फोटॉन चेन के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है।

आइसोट्रॉपी * - सभी दिशाओं में समान भौतिक गुण।

केल्विन फोम और सी 15 फोम ने भी अच्छे पीबीजी परिणाम दिखाए, लेकिन वे इस संकेतक में वीर-फेलन संरचना से नीच हैं।

इसी तरह के अध्ययन पहले किए गए थे, हालांकि, उन्होंने दो आयामी शुष्क फोम पर ध्यान केंद्रित किया। तब यह पाया गया कि द्वि-आयामी अनाकार शुष्क फोम केवल अनुप्रस्थ विद्युत ध्रुवीकरण के लिए PBG प्रदर्शित करता है। समस्या यह है कि तीन-आयामी फोम में दो ध्रुवीकरण हैं।

शोधकर्ताओं के अनुसार संभावित कठिनाइयों के बावजूद, तीन आयामी फोम को फोटोनिक्स के क्षेत्र में सुरक्षित रूप से एक आशाजनक सामग्री माना जा सकता है। इसका एक कारण है: पठार के नियम गारंटी देते हैं कि किनारों को विशेष रूप से टेट्राहेड्रल वर्टिकल बनाते हैं। और यह फोटोनिक नेटवर्क के लिए एक बड़ा प्लस है। इसका एक ज्वलंत उदाहरण 30% के पीबीजी के साथ एक हीरा है।

फोम में हीरे की जाली के निर्देशांक की चतुष्कोणीय संपत्ति होती है, लेकिन वे इस बात से अलग होते हैं कि उनके किनारे घुमावदार हैं और कुछ अलग लंबाई के बंधन हैं। यह केवल यह पता लगाने के लिए बनी हुई है कि इस तरह के अंतर फोटोनिक गुणों को कैसे और किस हद तक प्रभावित करते हैं।

यदि त्रि-आयामी शुष्क फोम की पसलियों को अधिक मोटा किया जाता है, तो फोटॉन नेटवर्क बनाए जा सकते हैं (नीचे दी गई छवियां) जो 17% तक के फोटोनिक पीबीजी का उच्चारण करते हैं, जो आत्म-ऑर्गेनिक फोटोनिक क्रिस्टल के विशिष्ट उदाहरणों में तुलनीय या श्रेष्ठ हैं।


छवि नंबर 1: वीर-फेलान संरचना (बाएं), केल्विन संरचना (केंद्र) और C15 फोम (दाएं) के किनारों को मोटा करके प्राप्त फोटोन-फोम नेटवर्क।

व्यवहार में इस तरह के एक मॉडल को लागू करने के लिए, सूखे फोम को पहले क्रिस्टलीकृत किया जाना चाहिए और फिर ढांकता हुआ सामग्री के साथ लेपित होना चाहिए। स्वाभाविक रूप से, फोम का पीबीजी फोटोनिक क्रिस्टल की तुलना में कम होगा, लेकिन इस नुकसान को कई फायदे से दूर किया जा सकता है। सबसे पहले, फोम का आत्म-संगठन बड़े नमूनों के तेजी से उत्पादन की अनुमति दे सकता है। दूसरा, फोटॉन-फोम-आधारित हेट्रोस्ट्रक्चर, पिछले अध्ययनों को ध्यान में रखते हुए, आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला हो सकती है।

अनुसंधान के परिणाम

सबसे पहले, सूखे फोम का अध्ययन करना आवश्यक था, जिसे टेस्यूलेशन इंटरपेज़ के स्थानीय मिनीमा के रूप में परिभाषित किया गया है * खाते की मात्रा प्रतिबंधों को ध्यान में रखते हुए, ताकि अंतिम ज्यामिति पठार कानूनों का पालन करे।

Tessellation * - एक विमान को उसके घटक भागों में तोड़ना जो पूरी तरह से रिक्त स्थान को छोड़कर पूरे विमान को कवर करता है।

वीर-फेलन, केल्विन और सी 15 फोम बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने क्रमशः बीसीसी, ए 15, या सी 15 क्रिस्टल के लिए भारित वोरोनोई टेसलेशन के साथ शुरू किया।


वोरोनोई आरेख

मापदंडों को चुना गया था ताकि सभी पृथक्करण कोशिकाओं में समान मात्रा हो।

हमने फोम के घुमावदार पसलियों से और उनके पूर्ववर्तियों के टेसूलेशन की सीधी पसलियों से बने नेटवर्क का अध्ययन किया। सभी प्रकार के फोम की टोपोलॉजी का आकलन करने के लिए, रिंग सांख्यिकी * का उपयोग किया गया था।


प्रश्न में अध्ययन के मामले में, यूनिट सेल में प्रति शीर्ष छोटी अंगूठी की संख्या की गणना की गई थी।

केल्विन मॉडल में एक सेल में 2 वर्ग और 4 हेक्सागोन प्रति वर्टेक्स होता है, लेकिन टीसीपी (टेट्राहेड्रली कसकर पैक) फोम में केवल पेंटागोनल और हेक्सागोनल चेहरे होते हैं (औसत मूल्य: 5.2 और 0.78 वियर-फेलान फोम में; 5.3 और 0.15 सी 15 फोम में)। Voronoi tessellations A15 और C15 प्रति कोशिका के सबसे बड़े और सबसे छोटे चेहरों ( f ) के साथ TCP संरचनाएं हैं। इस प्रकार, वीर-फेलन संरचना में सबसे बड़ी संख्या में चेहरे ( f = 13 + 1/2) हैं, और C15 में सबसे छोटे चेहरे हैं ( f = 13 + 1/3)।

सैद्धांतिक प्रशिक्षण के साथ समाप्त होने के बाद, वैज्ञानिकों ने सूखे फोम के किनारों के आधार पर फोटॉन नेटवर्क को मॉडलिंग करना शुरू कर दिया, अर्थात। फोम-फोटॉन नेटवर्क। यह पाया गया कि 20% के पीबीजी मूल्य के साथ, सिस्टम की विशेषताओं को अधिकतम किया जाता है, और 15% वीर-फेलन फोम अस्थिर हो जाता है। इस कारण से, वैज्ञानिकों ने गीले फोम पर विचार नहीं किया, जहां पठार की सीमाओं में ट्राइकसॉइड खंड हैं। इसके बजाय, सारा ध्यान सूखी फोम संरचनाओं पर केंद्रित था, जहां वैज्ञानिक धीरे-धीरे पसलियों की मोटाई बढ़ा सकते थे।

इसके अलावा, प्रत्येक रिब गोलाकार सिलेंडर (कैप्सूल) का औसत दर्जे का अक्ष है, जहां त्रिज्या एक सेटिंग पैरामीटर है।

शोधकर्ताओं ने याद किया कि ऐसे फोम नेटवर्क सचमुच फोम नहीं हैं, लेकिन उनकी रिपोर्ट में उन्हें कहानी कहने में आसानी के लिए "फोम" या "फोम नेटवर्क" कहा जाएगा।

सिमुलेशन के दौरान, पैरामीटर ɛ (ढांकता हुआ विपरीत) को ध्यान में रखा गया था - उच्च और निम्न इन्सुलेशन मूल्यों के साथ सामग्री के ढांकता हुआ स्थिरांक का अनुपात। यह माना जाता है कि ढांकता हुआ कंट्रास्ट 13 से 1 तक है, जो आमतौर पर फोटोनिक सामग्रियों की विभिन्न संरचनाओं की विशेषताओं की तुलना करते समय साहित्य में मानक के रूप में उपयोग किया जाता है।

प्रत्येक नेटवर्क के लिए, पसलियों (गोलाकार सिलेंडर) की त्रिज्या को निषिद्ध बैंड के अधिकतम अनुपात के लिए इसके मध्य में अनुकूलित किया जाता है: ∆ ω / ω _m , जहां ∆ frequency आवृत्ति बैंड की चौड़ाई है, और ω _m बैंड के अंदर की आवृत्ति है।


छवि नंबर 2: वियर-फेलान फोम (लाल), केल्विन फोम (नीला) और C15 फोम (हरा) की फोटॉन जोनल संरचना।

अगला, पीबीजी आकार मापा गया, जो थे: केल्विन फोम के लिए 7.7%, सी 15 फोम के लिए 13.0% और वीर-फेलान फोम के लिए 16.9%। क्षेत्र में कमी से पीबीजी का आकार 0.7%, 0.3, या 1.3% बढ़ जाता है।

जैसा कि यह विश्लेषण से स्पष्ट हो गया है, टीसीपी नेटवर्क केल्विन नेटवर्क की तुलना में बहुत बड़े पीबीजी आकार के हैं। दो टीसीपी नेटवर्क में से, यह वियर-फेलन फोम है जिसमें निषिद्ध क्षेत्रों का सबसे बड़ा आकार है, जो संभवतः, बांड की लंबाई में एक छोटे से बदलाव के साथ जुड़ा हुआ है। वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि बांड की लंबाई में अंतर मुख्य कारण हो सकता है कि उनके सिस्टम में, अर्थात। वीर-फेलन फोम में, पीबीजी हीरे (31.6%) या लेव्स सिस्टम (28.3%) की तुलना में कम है।

फोटोनिक्स में एक समान रूप से महत्वपूर्ण पहलू पीबीजी का समस्थानिक है, जो मनमाने ढंग से तरंगों के निर्माण की अनुमति देता है। फोटोग्राफिक क्वासिक क्रिस्टल, साथ ही अनाकार फोटोनिक नेटवर्क, शास्त्रीय फोटोनिक क्रिस्टल की तुलना में अधिक आइसोट्रोपिक हैं।

अध्ययन किए गए फोम-फोटॉन संरचना में आइसोट्रॉपी की उच्च डिग्री भी है। नीचे अनिसोट्रॉपी गुणांक निर्धारित करने का सूत्र है (यानी, किसी विशेष माध्यम के गुणों में अंतर की डिग्री) पीबीजी ( ए ):

A: = ([वार [B _HDB ] + वार [√ _LAB ]) / √ _m

यह पाया गया कि C15 फोम में सबसे कम ऐनिसोट्रॉपी (1.0%) है, इसके बाद वियर-फेलान फोम (1.2%) है। इसलिए, ये संरचनाएं अत्यधिक आइसोट्रोपिक हैं।

लेकिन केल्विन संरचना 3.5% के अनिसोट्रॉपी गुणांक को प्रदर्शित करती है, जो कि लेवेस इंडेक्स (3.4%) और हीरे (4.2%) के काफी करीब है। हालांकि, यहां तक ​​कि ये संकेतक भी सबसे खराब नहीं हैं, क्योंकि अभी भी सरल क्यूबिक सिस्टम हैं जिनमें 8.8% की अनिसोट्रॉपी गुणांक और 9.7% के साथ हेक्सागोनल हीरे के नेटवर्क हैं।

व्यवहार में, जब पीबीजी के अधिकतम मूल्य को प्राप्त करना आवश्यक होता है, तो कभी-कभी संरचना के कुछ भौतिक मापदंडों को बदलना आवश्यक होता है। इस मामले में, यह पैरामीटर गोलाकार सिलेंडर की त्रिज्या है। वैज्ञानिकों ने गणितीय गणना की जिसमें उन्होंने फोटोनिक बैंड गैप के अनुपात और इसकी चौड़ाई को फ़ंक्शन के रूप में पाया। प्रत्येक प्राप्त मूल्य के लिए, त्रिज्या अनुकूलन अधिकतम rad ω / rad _m किया गया था।


चित्र संख्या 3: जांच किए गए फोम नेटवर्क (C15, केल्विन, वियर-फेलन) और अन्य संरचनाओं (डायमंड, हेक्सागोनल डायमंड, लेव्स, एससी - साधारण घन) की तुलना ison / _m ।

वीर-फेलन फोम to rad9 के ढांकता हुआ विपरीत के लिए 8% की स्वीकार्य पीबीजी आकार रखता है, और त्रिज्या को अधिकतम 15% के पीबीजी तक पहुंचने के लिए बढ़ाया गया है। PBG। <6.5 पर गायब हो जाता है। जैसा कि अपेक्षित था, हीरे की संरचना में अध्ययन किए गए सभी संरचनाओं का सबसे बड़ा पीबीजी है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस अध्ययन के लिए मुख्य प्रेरणा, वैज्ञानिक इस सवाल का जवाब देने की इच्छा कहते हैं - क्या फोम नेटवर्क पूर्ण पीबीजी दिखा सकते हैं। फोटोनिक नेटवर्क में सूखी फोम संरचनाओं के किनारों के परिवर्तन से पता चला कि वे कर सकते हैं।

फिलहाल, फोम विशेष रूप से अध्ययनित संरचना नहीं है। बेशक, ऐसे अध्ययन हैं जो अनाकार नेटवर्क के संदर्भ में अच्छे परिणाम देते हैं, लेकिन वे बहुत छोटी वस्तुओं पर किए गए थे। सिस्टम अपने आकार में वृद्धि के साथ कैसे व्यवहार करेगा यह स्पष्ट नहीं है।

अध्ययन के लेखकों के अनुसार, उनके काम से भविष्य के आविष्कारों के कई अवसर खुलते हैं। फोम प्रकृति में बहुत आम है और निर्माण में आसान है, जो व्यावहारिक उपयोग के लिए इस संरचना को बहुत आकर्षक बनाता है।

वैज्ञानिक अपने शोध को लागू करने के लिए इंटरनेट को सबसे महत्वाकांक्षी विकल्पों में से एक कहते हैं। शोधकर्ताओं के अनुसार, ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से डेटा का संचरण एक नवीनता नहीं है, लेकिन गंतव्य पर, प्रकाश अभी भी बिजली में परिवर्तित हो गया है। फोटोनिक बैंड गैप वाली सामग्री पारंपरिक फाइबर ऑप्टिक केबलों की तुलना में प्रकाश को अधिक सटीक रूप से निर्देशित कर सकती है, और ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर के रूप में काम कर सकती है जो प्रकाश का उपयोग करके गणना करते हैं।

योजनाएँ चाहे कितनी भी भव्य क्यों न हों, बहुत काम किया जाना बाकी है। हालांकि, न तो अनुसंधान की जटिलता और न ही प्रयोगों की जटिलता वैज्ञानिकों के उत्साह और प्रौद्योगिकी की दुनिया को बेहतर बनाने की उनकी इच्छा को हरा सकती है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और हर किसी के लिए एक शानदार सप्ताहांत हो, दोस्तों! :)

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