Cara menangkap cahaya dengan busa: jaringan busa-foton

Kembali pada tahun 1887, fisikawan Skotlandia William Thomson mengusulkan model geometrisnya dari struktur eter, yang konon merupakan media yang serba meresap, getaran yang bermanifestasi kepada kita seperti gelombang elektromagnetik, termasuk cahaya. Meskipun teori ether gagal total, model geometris tetap ada, dan pada tahun 1993 Denis Weir dan Robert Phelan mengusulkan model struktur yang lebih maju, yang mampu mengisi ruang sebanyak mungkin. Sejak saat itu, model ini lebih banyak diminati oleh ahli matematika atau seniman, tetapi penelitian terbaru menunjukkan bahwa itu dapat menjadi dasar bagi teknologi masa depan yang menggunakan cahaya alih-alih listrik. Apa busa Weyr-Phelan, apa keunikannya dan bagaimana bisa digunakan untuk menangkap cahaya? Kami akan menemukan jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Hanya seratus tahun yang lalu, di komunitas ilmiah ada teori yang sangat ingin tahu tentang beberapa jenis masalah di sekitar. Teori ini bertujuan menjelaskan sifat gelombang elektromagnetik. Diyakini bahwa eter mengelilingi segala sesuatu dan merupakan sumber ombak ini. Penemuan ilmiah yang mengikuti teori eter benar-benar menghancurkannya.


William Thomson

Namun, pada tahun 1887, ketika teori eter penuh dengan kekuatan dan popularitas, banyak ilmuwan mengungkapkan gagasan mereka tentang bagaimana tepatnya eter dapat mengisi seluruh ruang. William Thomson, juga dikenal sebagai Lord Kelvin, tidak terkecuali. Dia mencari struktur yang idealnya akan mengisi ruang sehingga tidak ada area kosong. Pencarian ini kemudian disebut "tugas Kelvin".

Contoh primitif: bayangkan sebuah kotak berisi kaleng cola. Di antara mereka, karena bentuk silinder, rongga muncul, yaitu ruang yang tidak digunakan.

Thomson, di samping keyakinan bahwa Bumi tidak lebih dari 40 juta tahun, mengusulkan struktur geometris baru, yang diperbaiki oleh Denis Weir dan Robert Phelan, dan karenanya dinamai menurut nama mereka.

Struktur Weir-Phelan didasarkan pada sel-sel yang mengisi ruang dengan polyhedra terpisah, dan tidak ada ruang kosong. Sarang madu, yang biasanya kita wakili dalam bentuk segi enam karena lebah madu, sebenarnya datang dalam berbagai bentuk. Ada kubik, oktahedral, tetrahedral, dodecahedral belah ketupat, dll.


Struktur Weir Phelan

Kekhasan sarang lebah Weir-Phelan adalah bahwa mereka terdiri dari berbagai bentuk geometris. Pada intinya, ini adalah busa ideal dengan ukuran yang sama.

Nenek moyang busa ini adalah yang diusulkan oleh Lord Kelvin, sudah akrab bagi kita. Namun, variannya terdiri dari sel kubik pendek. Struktur Kelvin adalah sarang lebah homogen cembung yang dibentuk oleh octahedron terpotong, yang merupakan polyhedron dengan empat wajah, mengisi ruang (tetradecahedron), dengan 6 wajah persegi dan 8 wajah heksagonal.

Pilihan untuk mengisi ruang secara maksimal ini dianggap ideal selama hampir seratus tahun, hingga pada tahun 1993, Weir dan Phelan membuka struktur mereka.


Pentagon dan decahedron

Perbedaan utama antara sel Weir-Phelan dan pendahulunya adalah penggunaan dua jenis elemen penyusun, yang, bagaimanapun, memiliki volume yang sama: pentagon-dodecahedron (tetrahedron dengan simetri tetrahedral) dan tetrahedron dengan simetri rotasi.

Dalam pekerjaan yang sedang kita pertimbangkan saat ini, para ilmuwan di Universitas Princeton memutuskan untuk menggunakan busa Weir-Phelan dalam fotonik. Pertama-tama, perlu untuk mengetahui apakah celah pita fotonik (PBGs) dari perambatan cahaya balok busa di semua arah dan untuk semua polarisasi dalam rentang frekuensi yang luas.

Dalam studi mereka, para ilmuwan menunjukkan bahwa jaringan foton tiga dimensi berdasarkan Weir-Phelan foam mengarah ke PBG yang signifikan (16,9%) dengan tingkat tinggi isotropi * , yang merupakan properti penting untuk rantai foton.

Isotropi * - sifat fisik yang sama di semua arah.

Busa Kelvin dan busa C15 juga menunjukkan hasil PBG yang baik, tetapi mereka lebih rendah daripada struktur Weir-Phelan dalam indikator ini.

Studi serupa sebelumnya dilakukan, namun, mereka berfokus pada busa kering dua dimensi. Kemudian ditemukan bahwa busa kering amorf dua dimensi menunjukkan PBG hanya untuk polarisasi listrik transversal. Masalahnya adalah ada dua polarisasi dalam busa tiga dimensi.

Meskipun ada kemungkinan kesulitan, busa tiga dimensi dapat dengan aman dianggap sebagai bahan yang menjanjikan di bidang fotonik, menurut para peneliti. Ada alasan untuk ini: hukum Plateau menjamin bahwa ujung-ujungnya membentuk simpul tetrahedral secara eksklusif. Dan ini merupakan nilai tambah besar untuk jaringan fotonik. Contoh nyata dari ini adalah berlian dengan PBG 30%.

Busa memiliki sifat tetrahedral dari koordinat kisi berlian, tetapi mereka berbeda karena memiliki tepi melengkung dan panjang ikatan yang agak berbeda. Tetap hanya untuk mengetahui bagaimana dan sejauh mana perbedaan tersebut mempengaruhi sifat fotonik.

Jika tulang rusuk dari busa kering tiga dimensi dibuat lebih tebal, maka jaringan foton dapat dibuat (gambar di bawah), yang menunjukkan PBG fotonik hingga 17%, sebanding atau lebih unggul dari yang ada dalam contoh-contoh khas kristal fotonik yang mengatur sendiri.


Gambar No. 1: jaringan busa foton diperoleh dengan menebalkan tepi struktur Weir-Felan (kiri), struktur Kelvin (tengah) dan busa C15 (kanan).

Untuk menerapkan model tersebut dalam praktiknya, busa kering harus dikristalisasi terlebih dahulu dan kemudian dilapisi dengan bahan dielektrik. Secara alami, PBG busa akan lebih kecil dari kristal fotonik, tetapi kerugian ini dapat diatasi dengan sejumlah keuntungan. Pertama, pengorganisasian diri busa dapat memungkinkan produksi sampel besar secara cepat. Kedua, heterostruktur berbasis foton-busa, dengan mempertimbangkan studi sebelumnya, dapat memiliki rentang aplikasi yang lebih luas.

Hasil penelitian

Pertama-tama, adalah perlu untuk mempelajari busa kering, yang didefinisikan sebagai minimum lokal dari tessellation interphase * dengan mempertimbangkan batasan volume, sehingga geometri akhir mematuhi hukum Plateau.

Tessellation * - memecah pesawat menjadi bagian-bagian penyusunnya yang sepenuhnya menutupi seluruh pesawat tanpa meninggalkan ruang.

Untuk membuat busa Weir-Phelan, Kelvin, dan C15, para ilmuwan memulai dengan masing-masing tessellations Voronoi untuk kristal BCC, A15, atau C15.


Diagram Voronoi

Parameter dipilih sehingga semua sel pemisahan memiliki volume yang sama.

Kami mempelajari jaringan yang terbentuk dari iga melengkung dari busa dan dari iga lurus dari tessellations pendahulunya. Untuk menilai topologi semua jenis busa, digunakan statistik cincin * .


Dalam kasus penelitian yang bersangkutan, jumlah cincin terpendek per simpul dalam sel satuan dihitung.

Satu sel dalam model Kelvin memiliki 2 kuadrat dan 4 segi enam per simpul, tetapi busa TCP (padat tetrahedral) hanya memiliki permukaan pentagonal dan heksagonal (nilai rata-rata: 5,2 dan 0,78 pada busa Weir-Felan; 5,3 dan 0,71 pada busa C15). Tessellations Voronoi A15 dan C15 adalah struktur TCP dengan jumlah wajah ( f ) terbesar dan terkecil per sel. Dengan demikian, struktur Weir-Phelan memiliki jumlah wajah terbesar ( f = 13 + 1/2), dan C15 memiliki jumlah wajah terkecil ( f = 13 + 1/3).

Setelah selesai dengan pelatihan teoretis, para ilmuwan mulai memodelkan jaringan foton berdasarkan tepi busa kering, yaitu jaringan busa-foton. Ditemukan bahwa dengan nilai PBG 20%, karakteristik sistem dimaksimalkan, dan pada 15% busa Weir-Phelan menjadi tidak stabil. Untuk alasan ini, para ilmuwan tidak mempertimbangkan busa basah, di mana perbatasan dataran tinggi memiliki bagian trikuspoid. Sebaliknya, semua perhatian difokuskan pada struktur busa kering, di mana para ilmuwan secara bertahap dapat meningkatkan ketebalan tulang rusuk.

Selain itu, setiap tulang rusuk adalah sumbu medial dari silinder bola (kapsul), di mana jari-jari merupakan parameter pengaturan.

Para peneliti ingat bahwa jaringan busa seperti itu tidak benar-benar berbusa, tetapi dalam laporan mereka mereka akan disebut sebagai "busa" atau "jaringan busa" untuk kemudahan bercerita.

Selama simulasi, parameter ɛ (kontras dielektrik) diperhitungkan - proporsi konstanta dielektrik bahan dengan nilai isolasi tinggi dan rendah. Diasumsikan bahwa kontras dielektrik adalah 13-1, yang biasanya digunakan dalam literatur sebagai standar ketika membandingkan karakteristik berbagai struktur bahan fotonik.

Untuk setiap jaringan, jari-jari tulang rusuk (silinder bulat) dioptimalkan untuk rasio maksimum pita terlarang ke tengahnya: ∆ ω / ω _m , di mana ∆ ω adalah lebar pita frekuensi, dan ω _m adalah frekuensi di dalam pita.


Gambar No. 2: struktur zona foton busa Weir-Felan (merah), busa Kelvin (biru) dan busa C15 (hijau).

Selanjutnya, ukuran PBG diukur, yaitu: 7,7% untuk busa Kelvin, 13,0% untuk busa C15, dan 16,9% untuk busa Weir-Felan. Minimalisasi area meningkatkan ukuran PBG sebesar 0,7%, 0,3, atau 1,3%.

Seperti yang menjadi jelas dari analisis, jaringan TCP memiliki ukuran PBG yang jauh lebih besar daripada jaringan Kelvin. Dari dua jaringan TCP, itu adalah Weir-Phelan foam yang memiliki ukuran terbesar dari zona terlarang, yang, mungkin, dikaitkan dengan perubahan yang lebih kecil dalam panjang ikatan. Para ilmuwan percaya bahwa perbedaan panjang ikatan mungkin menjadi alasan utama mengapa dalam sistem mereka, yaitu dalam busa Weir-Phelan, PBG lebih rendah dari pada berlian (31,6%) atau dalam sistem Laves (28,3%).

Aspek yang sama pentingnya dalam fotonik adalah isotropi PBG, yang memungkinkan pembuatan pandu gelombang acak. Kristal fotonik fotonik, serta jaringan fotonik amorf, lebih isotropik daripada kristal fotonik klasik.

Struktur foton busa yang dipelajari juga memiliki tingkat isotropi yang tinggi. Di bawah ini adalah rumus untuk menentukan koefisien anisotropi (yaitu, tingkat perbedaan dalam sifat-sifat media tertentu) PBG ( A ):

A: = (√ Var [ ω _HDB ] + Var [ ω _LAB ]) / ω _m

Ditemukan bahwa busa C15 memiliki anisotropi terendah (1,0%), diikuti oleh busa Weyr-Felan (1,2%). Oleh karena itu, struktur ini sangat isotropik.

Tetapi struktur Kelvin menunjukkan koefisien anisotropi 3,5%, yang cukup dekat dengan indeks Laves (3,4%) dan berlian (4,2%). Namun, bahkan indikator ini bukan yang terburuk, karena masih ada sistem kubik sederhana dengan koefisien anisotropi sebesar 8,8% dan jaringan berlian heksagonal dengan 9,7%.

Dalam praktiknya, ketika perlu untuk mencapai nilai maksimum PBG, kadang-kadang perlu untuk mengubah parameter fisik tertentu dari struktur. Dalam hal ini, parameter ini adalah jari-jari silinder bulat. Para ilmuwan melakukan perhitungan matematika di mana mereka menemukan rasio celah pita fotonik dan lebarnya dalam bentuk fungsi ɛ . Untuk setiap nilai yang diperoleh, optimasi radius dilakukan untuk memaksimalkan ∆ ω / ω _m .


Gambar No. 3: Perbandingan ∆ω / ω _{m dari} jaringan busa yang diselidiki (C15, Kelvin, Weir-Phelan) dan struktur lainnya (berlian, berlian heksagonal, Daun, SC - kubik biasa).

Weir-Phelan foam mempertahankan ukuran PBG yang dapat diterima yaitu 8% hingga kontras dielektrik ɛ ≈9, dan jari-jari telah ditingkatkan untuk mencapai PBG maksimum 15%. PBG menghilang di ɛ <6.5. Seperti yang diharapkan, struktur berlian memiliki PBG terbesar dari semua struktur yang dipelajari.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Motivasi utama untuk penelitian ini, para ilmuwan menyebut keinginan untuk menjawab pertanyaan - bisakah jaringan menunjukkan PBG penuh. Transformasi tepi struktur busa kering menjadi jaringan fotonik menunjukkan bahwa mereka dapat.

Saat ini, busa bukanlah struktur yang dipelajari secara khusus. Tentu saja, ada studi yang memberikan hasil yang baik dalam hal jaringan amorf, tetapi mereka dilakukan pada benda yang sangat kecil. Bagaimana sistem akan berperilaku dengan peningkatan ukurannya masih belum jelas.

Menurut penulis penelitian, pekerjaan mereka membuka banyak peluang untuk penemuan masa depan. Busa sangat umum di alam dan mudah dibuat, yang membuat struktur ini sangat menarik untuk penggunaan praktis.

Para ilmuwan menyebut Internet sebagai salah satu pilihan paling ambisius untuk menerapkan penelitian mereka. Menurut para peneliti sendiri, transmisi data melalui serat optik bukanlah inovasi, tetapi di tempat tujuan, cahaya masih dikonversi menjadi listrik. Bahan dengan celah pita fotonik dapat mengarahkan cahaya jauh lebih akurat daripada kabel serat optik konvensional, dan dapat berfungsi sebagai transistor optik yang melakukan perhitungan menggunakan cahaya.

Tidak peduli seberapa mulianya rencana itu, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan. Namun, baik kompleksitas penelitian maupun kompleksitas percobaan tidak dapat mengalahkan antusiasme para ilmuwan dan keinginan mereka untuk meningkatkan dunia teknologi.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang mulai dari $ 4,99 , diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami ciptakan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Core) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana cara berbagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?