任何技术或材料的创造都与其不完善的事实有关。 无论如何都会有瑕疵。 有时很重要，极大地影响了特定系统的运行，因此需要大量时间和精力来完成。 有时缺陷可能是我们可以弥补的缺陷。 但是应该吗？ 我认为不是。 改善事物永远不会太晚。 这正是我们今天的英雄所想的-决定改进光子晶体的科学家。 今天，我们将研究拓扑绝缘子，粒子散射，液晶和光波如何结合在一起的研究。 走吧
抒情（理论）题外话
对于初学者，您应该稍微注意一下理论（尽管有点，不要害怕）。
在序言中，我提到了“光子晶体”，但这是什么？ 这是一种非常不寻常的材料，其主要特征是其结构中折射率（指数）变化的周期性。 深入研究，可以补充以下事实：由于光子晶体的特殊性，光子晶体可以获取光子能量的允许和禁止区域。 这些区域对我们来说很熟悉，这要归功于半导体，在这些区域中，它们已经在控制电荷载流子的能量方面发挥了作用，电荷载流子是带电荷的粒子。
光子晶体存在于蝴蝶的翅膀（衍射光栅）中。对于光子晶体，一切都取决于光波的长度。 如果具有与禁区对应的波长的光子入射到晶体上，则该光子不会传播并被反射回去。 反之亦然，如果入射在晶体上的光子能量“等于”允许区域，则光子将在晶体中传播。
事实证明，光子晶体具有非标准的导电特性。 这给我们带来了另一个概念-拓扑绝缘子。
这样的绝缘体就像一个三明治（或三明治，如果有人更喜欢盎格鲁主义）。 也就是说，这种材料的结构在外部是绝缘体，在内部是导体。 可以说，在经典的拓扑绝缘子中，问题之一是粒子散射。 粒子-家伙们运动灵活，没有一点动静，因为他们在运动过程中喜欢推动，这就是其初始轨迹发生变化的原因。 这样的过程会造成一定的损失，这当然是不好的。
能量对动量的依赖性：a-传统绝缘子，b-拓扑。我们今天谈论的科学家认为，可以通过将光子晶体和硅光子技术相结合来解决这些问题。 含糊地，你不觉得吗？ 但是科学家很快就确定了他们决定使用的确切液晶。 但是，这句话确实让您大吃一惊。 水晶怎么会是液体？ 但是，正如物理学中经常发生的那样，并非所有内容都应该从字面上理解。 液晶是某些物质在极端条件下进入的状态。 在这种情况下，这些物质可以同时具有液体和晶体的性质（流动性和各向异性）。 您一定已经在生活中的某个时候看过液晶（电子钟，液晶电视，手机等）。
相中液晶的类型：a-向列相，b-近晶相，c-胆甾相。
为了使液晶发挥作用，必须控制拓扑边缘状态。 这可以通过控制液晶的折射率来实现。
一项有趣的工作，其中边缘状态受到影响。学习基础
研究人员创建的结构是由硅柱（柱）制成的光子晶体，浸入导电电极之间的液晶介质中（图
1a ）。
图片编号1该结构包括两个主要区域：普通拓扑和非普通拓扑。 较小的区域表示为每个都有六列的六边形格子。 每个这样的晶格都是超分子（夸张的，分子的集合），根据列之间的距离，其可能具有区域的平凡或非平凡的拓扑特征。
由于光子晶体浸没在液晶介质中，科学家可以控制折射率。 此外，此参数中受控变化的幅度可能很大。 由于从两个电极获得的外部电场实现了控制和操纵，两个电极从下方和上方“限制”了结构。
平均液晶的折射率为1.5，并且双折射（当光束被一分为二时）为0.2的量级。 在这项研究中，使用了向列型E7的液晶：绝对折射率为1.51，
非常折射率*为1.69。
非凡折射率* -当光相对于光轴具有平行偏振时。
图
1b显示了当外部电场作用于结构时，液晶分子如何沿硅柱平行排列（ON模式）。 在这种情况下，光非常有效地遵循菱形路径，而边缘状态位于体积禁区（图像
1c ）。
结构的第二个“模式”为OFF（关闭），即结构未暴露于电场的状态。 在这种情况下，分子垂直于硅柱（图像
1d ）。 因此，该结构的拓扑特征不会改变，但是禁区的位置会改变。 光线开始散布到整个结构中。 即，光没有沿着必要的路径通过，并且在该过程中观察到其大的损耗。 如图
1e所示。
研究人员认为，自定义拓扑边缘状态是许多技术的非常有前途的基础。 通过利用边缘状态进行操纵，可以获得以最小的损耗（理想情况下当然没有损耗）沿给定路径传导光的能力。
在研究的结构中，边缘态在拓扑和琐碎的光子晶体之间形成。 两个晶体的晶格彼此独立，具有一种对称性C6，在结构的这两个基部之间的空间中被破坏。 违反对称性会导致自旋状态之间出现简并性，这使它们可以在点Γ附近相互作用。 这种相互作用的结果是，出现了一个小的区域（“间隙”）。 但是，尽管边缘状态并非没有这样的区域，但它们使您能够沿给定路径创建光传输系统而不会造成损失。
沿路径的损耗可能由于多种原因而发生：路径的急转弯，结构或晶体的缺陷。 因此，该结构应以这样的方式工作，尽管有这样的障碍，光仍可以无损失地传播。 首先，有必要在给定的频率下存在边缘状态。
图片编号2科学家决定分析带状光子晶体，以确认其结构中存在非平凡的边缘态。 分析表明存在边缘态和本体态。 这就是问题所在。 由于存在至少一个体态，即使存在边缘态，也会导致这样的事实，即光路上的任何障碍都会导致其在结构体中散射，即损失（图2）。 结论是，需要摆脱体积状态。
例如，我们使用Z形光路。 由于这条路不是直接的轨迹，因此充满了损失。 因此，有两种选择可以使光线沿着这种不寻常的路径前进而不会造成损失。 第一种是使用金属电极，它将“限制”光子晶体结构内部的光。 不幸的是，这种方法也有缺点：仍然会有损耗，但是已经达到了光频率的水平。 第二种选择更具吸引力-将电极放置在距光子晶体结构一定距离处。 所产生的自由空间可以被液晶填充，该液晶与主结构相比具有明显更低的折射率。
研究人员还发现了一个极限频率范围，在该频率范围内既不会出现所需的边缘状态，也不会出现不需要的体积状态。 这是由于希望避免由于违反C6对称性而可能出现的边缘状态交叉。
折射率还影响结构的带隙的大小和位置。 例如，图像
2c显示指标为1.51时，带隙覆盖归一化的频率范围0.441 ... 0.462。 但指标为1.69时，范围会发生变化-0.433 ... 0.447（图像
2g ）。
图片编号3为了进一步分析，科学家决定选择0.433的频率。 图像
3a （折射率1.51）和
3d （折射率1.69）显示了光如何以这种频率传播。
当折射率为1.51时，不会出现必要的边缘状态，因此，光线不会聚焦，可以说会开始散射到结构上。 让我们回到图像2，更确切地说，返回
d和
g进行澄清。 归一化频率0.433位于光子晶体的琐碎（红色曲线）和拓扑（绿色曲线）区域的带隙下方。 如果折射率为1.69，则频率0.433恰好落在两个区域的禁止区域中。
科学家们还同时进行了不同折射率的实验。 这是通过外部电场分别对琐碎区域和拓扑区域的单独影响来实现的。 电极由绝缘体薄膜隔开。 该实验中的带隙分析如图
2e和
2f所示 。 在
3b和
3c中显示了光沿具有菱形缺陷的路径传播。 在该实验中，光再次传播通过该结构。 结果，该结构的两个区域（拓扑的和琐碎的）必须具有相同的折射率。
您可以通过
研究小组的
报告来熟悉研究的细节，尤其是计算。
结语
研究人员设法创建了一个系统，通过使用结构元素的折射率进行操纵，可以使光沿着复杂的（非线性）路径传输而不会造成损失。 指出获得类似结果的必要条件：存在非平凡的拓扑边缘状态和不存在体状态。 研究人员还指出，琐碎区域和拓扑区域之间的折射率差异会对光的传输产生负面影响，从而导致光散射并因此导致损耗。
液晶与硅的结合使用可以控制，修改和操纵结构的某些特性，从而将其调整到所需的结果。
这项研究再次证明了液晶作为改进数据传输技术及其处理不可或缺的组成部分的巨大潜力。 这项技术不是新技术，但是到目前为止，尚未发现其应用的所有变体。 科学家发现的越多，技术发展就越容易。 即使将来不再使用开放式路径，它也可以成为其他研究人员寻找方法的动力。 竞争不仅对经济学有用，而且对研究也有用。
感谢您与我们在一起。 你喜欢我们的文章吗？ 想看更多有趣的资料吗？ 通过下订单或将其推荐给您的朋友来支持我们，为我们为您开发
的入门级服务器的独特模拟，为Habr用户提供
30％的折扣： 关于VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）的全部真相10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps从$ 20还是如何划分服务器？ （RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。
VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps至12月免费，在六个月内付款时，您可以
在此处订购。
戴尔R730xd便宜2倍？ 仅
在荷兰和美国，我们有
2台Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100电视（249美元起） ！ 阅读有关
如何构建基础架构大厦的信息。 使用价格为9000欧元的Dell R730xd E5-2650 v4服务器的上等课程？