Obstáculo para luz: cristais líquidos ajudam

A criação de qualquer tecnologia ou material está associada ao fato de sua imperfeição. De uma forma ou de outra, haverá falhas. Às vezes significativo, afetando bastante a operação de um sistema específico e, consequentemente, exigindo muito tempo e esforço para finalizar. E às vezes as falhas podem ser aquelas com as quais podemos aturar. Mas deveria? Eu acho que não. Melhorar algo nunca é tarde demais. É exatamente isso que nossos heróis de hoje pensam - cientistas que decidiram melhorar os cristais fotônicos. Hoje vamos aprender como isoladores topológicos, dispersão de partículas, cristais líquidos e ondas de luz se combinam em um estudo. Vamos lá

Digressão lírica (teórica)

Para começar, você deve prestar um pouco de atenção à teoria (embora um pouco, não tenha medo).

No prólogo, mencionei "cristais fotônicos", mas o que é isso? Este é um material muito incomum, cuja principal característica é a periodicidade das mudanças no coeficiente (índice) de refração em sua estrutura. Indo mais fundo, esta tese pode ser complementada com o fato de que, devido à sua peculiaridade, os cristais fotônicos permitem obter zonas permitidas e proibidas para as energias dos fótons. Essas zonas nos são familiares graças aos semicondutores, onde eles já "trabalham" em comando da energia dos portadores de carga - partículas que carregam uma carga elétrica.


Cristais fotônicos estão presentes nas asas das borboletas (grades de difração).

No caso de cristais fotônicos, tudo depende do comprimento da onda de luz. Se um fóton com um comprimento de onda correspondente à zona proibida ocorrer no cristal, o fóton não se propaga e é refletido de volta. E vice-versa, se a energia do fóton incidente no cristal é "igual" à zona permitida, o fóton se propaga no cristal.

Acontece que o cristal fotônico tem propriedades condutoras não padronizadas. E isso nos leva a outro conceito - isoladores topológicos.

Esses isoladores são como um sanduíche (ou um sanduíche, se alguém preferir o anglicismo). Ou seja, do lado de fora a estrutura desse material é um isolante e, no interior - um condutor. Em, por assim dizer, isoladores topológicos clássicos, um dos problemas é a dispersão de partículas. Partículas - os caras são móveis e um pouco sem tato, porque durante o movimento eles gostam de empurrar, que é o motivo da mudança em sua trajetória inicial. Tais processos causam certas perdas, o que, é claro, é ruim.


A dependência da energia no momento: a - isolador convencional, b - topológico.

Os cientistas sobre os quais estamos falando hoje acreditam que esses problemas podem ser resolvidos pela combinação de cristais fotônicos e tecnologias fotônicas de silício. Vagamente de alguma forma, você não acha? Mas os cientistas especificam rapidamente o que exatamente eles decidiram usar - cristais líquidos. Mas essa frase já faz você levantar uma sobrancelha. Como um cristal pode ser líquido? Mas, como costuma acontecer na física, nem tudo deve ser entendido 100% literalmente. Os cristais líquidos são um estado em que algumas substâncias passam sob condições extremas. Nesse caso, essas substâncias podem possuir simultaneamente as propriedades de líquidos e cristais (fluidez e anisotropia). Você já deve ter visto cristais líquidos em algum momento de sua vida (relógios eletrônicos, televisores LCD, telefones celulares etc.).


Tipos de cristais líquidos em fases: a - nematic, b - smectic, c - colesteric.

Para que os cristais líquidos cumpram seu papel, é necessário obter controle sobre os estados das arestas topológicas. Isso pode ser conseguido através da manipulação do índice de refração de um cristal líquido.

Um trabalho interessante em que estados de borda são afetados.

Base de estudo

A estrutura criada pelos pesquisadores é um cristal fotônico feito de colunas de silicone (pilares) imersas em um meio de cristal líquido entre eletrodos condutores (imagem 1a ).


Imagem Nº 1

A estrutura consiste em duas áreas principais: com topologia trivial e com topologia não trivial. Áreas menores são representadas como treliças hexagonais com seis colunas em cada uma. Cada rede é uma metamolécula (exagerada, uma coleção de moléculas), que pode ter as características de uma topologia trivial ou não trivial de zonas, dependendo da distância entre as colunas.

Devido ao fato de o cristal fotônico estar imerso em um meio de cristal líquido, os cientistas podem manipular o índice de refração. Além disso, a amplitude da mudança controlada nesse parâmetro pode ser bastante grande. O controle e a manipulação são alcançados devido a um campo elétrico externo obtido de dois eletrodos que "limitam" a estrutura de baixo e de cima.

O cristal líquido médio tem um índice de refração de 1,5, e a birrefringência (quando o feixe de luz é dividido em dois) é da ordem de 0,2. Neste estudo, foi utilizado um cristal líquido do tipo nemático E7: o índice de refração absoluto foi de 1,51 e o índice de refração extraordinário * foi de 1,69.

Índice de refração extraordinário * - quando a luz possui uma polarização paralela em relação ao eixo óptico.

A Figura 1b mostra como as moléculas de cristal líquido se alinham em paralelo ao longo das colunas de silício (modo ON) quando um campo elétrico externo atua na estrutura. Em tal situação, a luz segue de maneira bastante eficaz o caminho em forma de diamante, enquanto o estado da borda está localizado na zona proibida volumétrica (imagem 1c ).

O segundo "modo" da estrutura está DESLIGADO - o estado da estrutura sem exposição a um campo elétrico. Nesse caso, as moléculas são perpendiculares às colunas de silício (imagem 1d ). Assim, as características topológicas da estrutura não mudam, mas a posição da zona proibida muda. A luz começa a se espalhar por todo o volume da estrutura. Ou seja, a luz não passa pelo caminho necessário e suas grandes perdas são observadas no processo. Isso é mostrado na imagem 1e .

Segundo os pesquisadores, os estados de borda topológica personalizados são uma base muito promissora para muitas tecnologias. A obtenção da capacidade de conduzir luz ao longo de um determinado caminho com perdas mínimas (idealmente, é claro, sem perdas) pode ser alcançada através da manipulação de estados de borda.

Na estrutura em estudo, estados de borda são formados entre cristais fotônicos topológicos e triviais. As redes de ambos os cristais, independentemente uma da outra, têm um tipo de simetria C6, que é quebrada no espaço entre essas duas bases da estrutura. A violação da simetria leva ao aparecimento de degeneração entre os estados de rotação, e isso permite que eles interajam perto do ponto Γ. Como resultado dessa interação, uma pequena zona (“lacuna”) surge. Porém, apesar dos estados de borda não serem desprovidos dessas zonas, eles permitem criar um sistema de transmissão de luz ao longo de um determinado caminho sem perda.

Perdas ao longo do caminho podem ocorrer por várias razões: curvas acentuadas do caminho, defeitos na estrutura ou cristal em particular. Assim, a estrutura deve funcionar de tal maneira que, apesar de tais obstáculos, a luz viaje sem perdas. Primeiro de tudo, é necessário que haja estados de borda em uma determinada frequência.


Imagem No. 2

Os cientistas decidiram analisar o cristal fotônico da fita para confirmar a presença de estados de borda não triviais em sua estrutura. A análise mostrou a presença de estados de borda e de massa. E esse é o problema. Como a presença de pelo menos um estado de massa, mesmo na presença de estados de borda, levará ao fato de que qualquer obstáculo no caminho da luz fará com que ela se espalhe na maior parte da estrutura, ou seja, com perdas (imagem 2). Como conclusão, é preciso se livrar dos estados volumétricos.

Por exemplo, usamos o caminho da luz em forma de Z. Esse caminho está cheio de perdas, devido à sua trajetória não direta. Portanto, existem duas opções para conduzir a luz por um caminho tão incomum sem perda. A primeira é usar eletrodos de metal que “restringirão” a luz dentro da estrutura do cristal fotônico. Infelizmente, esse método também tem suas desvantagens: ainda haverá perdas, mas já no nível das frequências ópticas. A segunda opção é muito mais atraente - colocar os eletrodos a uma certa distância da estrutura do cristal fotônico. O espaço livre resultante pode ser preenchido com um cristal líquido, que possui um índice de refração significativamente menor em comparação com a estrutura principal.

Os pesquisadores também descobriram uma faixa de freqüência limitadora na qual nem os estados desejados da borda nem os estados volumétricos indesejados surgiriam. Isso ocorre devido ao desejo de evitar interseções de estados de arestas que podem surgir devido à violação da simetria C6.

O índice de refração também afeta o tamanho e a localização do gap da estrutura. Por exemplo, a imagem 2c mostra que, com um indicador de 1,51, o intervalo de banda cobre a faixa de frequência normalizada 0,441 ... 0,462. Mas com um indicador de 1,69, o intervalo muda - 0,433 ... 0,447 (imagem 2g ).


Imagem No. 3

Para uma análise mais aprofundada, os cientistas decidiram escolher uma frequência de 0,433. A imagem 3a (índice de refração 1,51) e 3d (índice de refração 1,69) mostram como a luz viaja nessa frequência.

Quando o índice de refração é 1,51, os estados de aresta necessários não surgem, por causa dos quais a luz não focaliza, por assim dizer, e começa a se espalhar pela estrutura. Voltemos à imagem nº 2, mais precisamente, para d e g , para esclarecimentos. A frequência normalizada 0,433 está localizada abaixo do intervalo de banda das regiões trivial (curvas vermelhas) e topológica (curvas verdes) do cristal fotônico. Se o índice de refração for 1,69, a frequência 0,433 cai apenas na zona proibida de ambas as regiões.

Os cientistas também realizaram um experimento com diferentes índices de refração ao mesmo tempo. Isso foi alcançado pela influência separada de um campo elétrico externo nas regiões trivial e topológica separadamente. Os eletrodos são separados por uma fina película de isolador. A análise de gap band nesta experiência é mostrada nas imagens 2e e 2f . E a propagação da luz ao longo do caminho com um defeito romboide é mostrada em 3b e 3c . Neste experimento, a luz novamente se propaga através da estrutura. Como resultado, ambas as regiões da estrutura, topológica e trivial, devem ter o mesmo índice de refração.

Você pode se familiarizar com os detalhes do estudo, em particular com os cálculos, através do relatório do grupo de pesquisa .

Epílogo

Os pesquisadores conseguiram criar um sistema no qual a luz pode ser transmitida ao longo de um caminho complexo (não linear) sem perda, usando manipulações com os índices de refração dos elementos estruturais. As condições necessárias para obter um resultado semelhante foram observadas: a presença de estados de borda topológicos não triviais e a ausência de estados de massa. Os pesquisadores também observaram que a diferença no índice de refração entre as regiões trivial e topológica afeta negativamente a transmissão da luz, levando à dispersão da luz e, consequentemente, a perdas.

O uso de cristais líquidos em conjunto com o silício tornou possível controlar, modificar e manipular certas características da estrutura, ajustando-a assim ao resultado desejado.

Este estudo mostra mais uma vez o incrível potencial dos cristais líquidos, como elemento integrante da melhoria das tecnologias de transferência de dados e de seu processamento. Essa tecnologia não é nova, mas de longe nem todas as variações de sua aplicação foram descobertas. Quanto mais cientistas descobrem, mais fácil é a evolução da tecnologia. E mesmo que o caminho aberto não seja usado no futuro, ele pode servir de incentivo para outros pesquisadores encontrarem o caminho. A competição é útil não apenas em economia, mas também em pesquisa.

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