Rintangan Jalankan untuk Cahaya: Kristal Cair untuk Membantu

Penciptaan teknologi atau materi apa pun terkait dengan fakta ketidaksempurnaannya. Bagaimanapun juga akan ada kekurangan. Terkadang signifikan, sangat memengaruhi pengoperasian sistem tertentu, dan, karenanya, membutuhkan banyak waktu dan upaya untuk menyelesaikannya. Dan kadang-kadang kekurangan itu bisa menjadi kelemahan kita. Tetapi haruskah Saya kira tidak. Memperbaiki sesuatu tidak pernah terlambat. Inilah yang dipikirkan para pahlawan kita saat ini - para ilmuwan yang memutuskan untuk meningkatkan kristal fotonik. Hari ini kita akan belajar bagaimana isolator topologi, hamburan partikel, kristal cair, dan gelombang cahaya bergabung dalam sebuah penelitian. Ayo pergi.

Penyimpangan liris (teoretis)

Sebagai permulaan, Anda harus sedikit memperhatikan teori (meskipun sedikit, jangan takut).

Dalam prolog, saya menyebutkan "kristal fotonik," tapi apa itu? Ini adalah bahan yang sangat tidak biasa, fitur utamanya adalah periodisitas perubahan koefisien (indeks) refraksi dalam strukturnya. Menggali lebih dalam, tesis ini dapat dilengkapi dengan fakta bahwa karena kekhasannya, kristal fotonik memungkinkan untuk mendapatkan zona yang diizinkan dan terlarang untuk energi foton. Zona ini akrab bagi kita berkat semikonduktor, di mana mereka sudah "bekerja" dengan energi pembawa muatan - partikel yang membawa muatan listrik.


Kristal fotonik hadir di sayap kupu-kupu (grating difraksi).

Dalam hal kristal fotonik, semuanya tergantung pada panjang gelombang cahaya. Jika foton dengan panjang gelombang yang sesuai dengan zona terlarang terjadi pada kristal, foton tidak merambat dan dipantulkan kembali. Dan sebaliknya, jika energi dari peristiwa foton pada kristal adalah "sama" dengan zona yang diizinkan, maka foton merambat dalam kristal.

Ternyata kristal fotonik memiliki sifat konduktif yang tidak standar. Dan ini membawa kita ke konsep lain - isolator topologi.

Isolator semacam itu seperti sandwich (atau sandwich, jika ada yang lebih suka Anglicism). Artinya, di luar struktur bahan seperti itu adalah isolator, dan di dalam - konduktor. Dalam, dapat dikatakan, isolator topologi klasik, salah satu masalahnya adalah hamburan partikel. Partikel - orang-orang bergerak dan sedikit tidak bijaksana, karena selama gerakan mereka suka mendorong, yang merupakan alasan untuk perubahan lintasan awal mereka. Proses semacam itu menyebabkan kerugian tertentu, yang tentu saja buruk.


Ketergantungan energi pada momentum: a - isolator konvensional, b - topologis.

Para ilmuwan yang kita bicarakan hari ini percaya bahwa masalah ini dapat diselesaikan dengan menggabungkan kristal fotonik dan teknologi silikon fotonik. Entah bagaimana samar-samar, kan? Tetapi para ilmuwan dengan cepat menentukan apa tepatnya yang mereka putuskan untuk digunakan - kristal cair. Tapi kalimat ini sudah benar-benar membuat Anda mengangkat alis. Bagaimana kristal bisa menjadi cair? Tapi, seperti yang sering terjadi dalam fisika, tidak semuanya harus dipahami 100% secara harfiah. Kristal cair adalah keadaan di mana beberapa zat masuk dalam kondisi ekstrem. Dalam hal ini, zat-zat ini secara bersamaan dapat memiliki sifat-sifat cairan dan kristal (fluiditas dan anisotropi). Anda pasti pernah melihat kristal cair di beberapa titik dalam hidup Anda (jam elektronik, televisi LCD, ponsel, dll.).


Jenis kristal cair dalam fase: a - nematic, b - smectic, c - cholesteric.

Agar kristal cair dapat memainkan perannya, perlu untuk mendapatkan kontrol atas keadaan tepi topologi. Ini dapat dicapai dengan memanipulasi indeks bias kristal cair.

Sebuah karya yang menarik di mana kondisi ujung terpengaruh.

Dasar studi

Struktur yang dibuat oleh para peneliti adalah kristal fotonik yang terbuat dari kolom silikon (pilar) direndam dalam media kristal cair antara elektroda konduktif (gambar 1a ).


Gambar No. 1

Struktur terdiri dari dua area utama: dengan topologi trivial dan dengan topologi non-trivial. Area yang lebih kecil direpresentasikan sebagai kisi heksagonal dengan masing-masing enam kolom. Setiap kisi tersebut adalah molekul meta (berlebihan, kumpulan molekul), yang mungkin memiliki karakteristik topologi zona trivial atau nontrivial tergantung pada jarak antara kolom.

Karena fakta bahwa kristal fotonik direndam dalam media kristal cair, para ilmuwan dapat memanipulasi indeks bias. Selain itu, amplitudo dari perubahan terkontrol dalam parameter ini bisa sangat besar. Kontrol dan manipulasi dicapai karena medan listrik eksternal yang diperoleh dari dua elektroda yang "membatasi" struktur dari bawah dan atas.

Kristal cair rata-rata memiliki indeks bias 1,5, dan birefringence (ketika berkas cahaya dibagi dua) berada di urutan 0,2. Dalam penelitian ini, kristal cair tipe nematik E7 digunakan: indeks bias absolut adalah 1,51, dan indeks bias luar biasa * adalah 1,69.

Indeks bias luar biasa * - ketika cahaya memiliki polarisasi paralel relatif terhadap sumbu optik.

Gambar 1b menunjukkan bagaimana molekul kristal cair berbaris paralel di sepanjang kolom silikon (mode ON) ketika medan listrik eksternal bekerja pada struktur. Dalam situasi seperti itu, cahaya cukup efektif mengikuti jalur berbentuk berlian, sedangkan negara tepi terletak di zona terlarang volumetrik (gambar 1c ).

"Mode" kedua dari struktur adalah MATI - keadaan struktur tanpa terkena medan listrik. Dalam hal ini, molekul-molekulnya tegak lurus terhadap kolom silikon (gambar 1d ). Dengan demikian, karakteristik topologi struktur tidak berubah, tetapi posisi zona terlarang berubah. Cahaya mulai menyebar ke seluruh volume struktur. Artinya, cahaya tidak melewati jalur yang diperlukan, dan kerugiannya yang besar diamati dalam proses. Ini ditunjukkan pada gambar 1e .

Menurut para peneliti, topologi edge state kustom adalah fondasi yang sangat menjanjikan bagi banyak teknologi. Memperoleh kemampuan untuk melakukan cahaya di sepanjang jalur yang diberikan dengan kerugian minimal (idealnya, tentu saja, tanpa kerugian) dapat dicapai melalui manipulasi dengan kondisi tepi.

Dalam struktur yang diteliti, keadaan tepi terbentuk antara kristal fotonik topologis dan trivial. Kisi-kisi dari kedua kristal, secara independen satu sama lain, memiliki jenis simetri C6, yang rusak di ruang antara dua pangkalan struktur ini. Pelanggaran simetri menyebabkan munculnya degenerasi antara keadaan spin, dan ini memungkinkan mereka untuk berinteraksi di dekat titik Γ. Sebagai hasil dari interaksi ini, sebuah zona kecil ("celah") muncul. Tetapi, terlepas dari kenyataan bahwa keadaan tepi tidak tanpa zona seperti itu, mereka memungkinkan Anda untuk membuat sistem transmisi cahaya di sepanjang jalur yang diberikan tanpa kehilangan.

Kerugian di sepanjang jalan dapat terjadi karena sejumlah alasan: belokan tajam pada jalan, cacat pada struktur atau kristal pada khususnya. Dengan demikian, struktur harus bekerja sedemikian rupa sehingga, terlepas dari hambatan seperti itu, cahaya bergerak tanpa kehilangan. Pertama-tama, perlu bahwa ada kondisi tepi pada frekuensi tertentu.


Gambar No. 2

Para ilmuwan memutuskan untuk menganalisis kristal fotonik pita untuk mengkonfirmasi keberadaan keadaan tepi nontrivial dalam strukturnya. Analisis menunjukkan keberadaan kedua sisi dan sebagian besar. Dan itu masalahnya. Karena keberadaan setidaknya satu keadaan curah, bahkan di hadapan keadaan tepi, akan mengarah pada fakta bahwa setiap hambatan di jalur cahaya akan menyebabkannya tersebar di sebagian besar struktur, yaitu, kehilangan (gambar 2). Sebagai kesimpulan, seseorang perlu menyingkirkan keadaan volumetrik.

Sebagai contoh, kami menggunakan jalur cahaya berbentuk Z. Jalan seperti itu penuh dengan kerugian, karena jalurnya tidak langsung. Jadi, ada dua opsi untuk mengarahkan cahaya sepanjang jalur yang tidak biasa tanpa kehilangan. Yang pertama adalah menggunakan elektroda logam yang akan "menahan" cahaya di dalam struktur kristal fotonik. Sayangnya, metode ini juga memiliki kelemahan: masih akan ada kerugian, tetapi sudah pada tingkat frekuensi optik. Pilihan kedua jauh lebih menarik - untuk menempatkan elektroda pada jarak tertentu dari struktur kristal fotonik. Ruang bebas yang dihasilkan dapat diisi dengan kristal cair, yang memiliki indeks bias yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan struktur utama.

Para peneliti juga menemukan rentang frekuensi terbatas di mana tidak ada negara tepi yang diinginkan maupun keadaan volumetrik yang tidak diinginkan akan muncul. Hal ini disebabkan oleh keinginan untuk menghindari persimpangan keadaan tepi yang mungkin timbul karena pelanggaran simetri C6.

Indeks bias juga mempengaruhi ukuran dan lokasi celah pita struktur. Misalnya, gambar 2c menunjukkan bahwa dengan indikator 1,51, celah pita mencakup rentang frekuensi yang dinormalisasi 0,441 ... 0,462. Tetapi dengan indikator 1,69, kisaran berubah - 0,433 ... 0,447 (gambar 2g ).


Gambar No. 3

Untuk analisis lebih lanjut, para ilmuwan memutuskan untuk memilih frekuensi 0,433. Gambar 3a (indeks bias 1,51) dan 3d (indeks bias 1,69) menunjukkan bagaimana cahaya bergerak pada frekuensi seperti itu.

Ketika indeks bias 1,51, keadaan tepi yang diperlukan tidak muncul, karena cahaya tidak fokus, sehingga untuk berbicara, dan mulai tersebar di atas struktur. Mari kita kembali ke gambar No. 2, lebih tepatnya, ke d dan g , untuk klarifikasi. Frekuensi normalisasi 0,433 terletak di bawah celah pita dari daerah trivial (kurva merah) dan topologi (kurva hijau) dari kristal fotonik. Jika indeks bias adalah 1,69, maka frekuensi 0,433 jatuh hanya di zona terlarang dari kedua wilayah.

Para ilmuwan juga melakukan percobaan dengan indeks bias yang berbeda secara bersamaan. Ini dicapai oleh pengaruh terpisah dari medan listrik eksternal pada daerah sepele dan topologi secara terpisah. Elektroda dipisahkan oleh film tipis isolator. Analisis celah pita dalam percobaan ini ditunjukkan dalam gambar 2e dan 2f . Dan rambatan cahaya di sepanjang jalan dengan cacat romboid ditunjukkan dalam 3b dan 3c . Dalam percobaan ini, cahaya kembali merambat melalui struktur. Akibatnya, kedua wilayah struktur, topologi dan sepele, harus memiliki indeks bias yang sama.

Anda dapat membiasakan diri dengan rincian penelitian, khususnya dengan perhitungan, melalui laporan kelompok penelitian .

Epilog

Para peneliti berhasil membuat sistem di mana cahaya dapat ditransmisikan di sepanjang jalur (nonlinier) kompleks tanpa kehilangan, menggunakan manipulasi dengan indeks bias elemen struktural. Kondisi yang diperlukan untuk memperoleh hasil yang serupa dicatat: adanya keadaan tepi topologi nontrivial dan tidak adanya keadaan curah. Para peneliti juga mencatat bahwa perbedaan dalam indeks bias antara daerah sepele dan topologi secara negatif mempengaruhi transmisi cahaya, yang menyebabkan hamburan cahaya dan, akibatnya, menjadi kerugian.

Penggunaan kristal cair dalam hubungannya dengan silikon memungkinkan untuk mengontrol, memodifikasi, dan memanipulasi karakteristik tertentu dari struktur, sehingga menyesuaikannya dengan hasil yang diinginkan.

Studi ini sekali lagi menunjukkan potensi luar biasa dari kristal cair, sebagai elemen integral dari peningkatan teknologi transfer data, serta pengolahannya. Teknologi ini bukanlah hal baru, tetapi sejauh ini tidak semua variasi penerapannya telah ditemukan. Semakin banyak ilmuwan menemukan, semakin mudah bagi teknologi untuk berkembang. Dan bahkan jika jalur terbuka tidak digunakan di masa depan, itu dapat berfungsi sebagai dorongan bagi peneliti lain untuk menemukan jalan mereka. Persaingan bermanfaat tidak hanya di bidang ekonomi, tetapi juga dalam penelitian.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?