írta Adelita Ekim, 2020. június 6., 11:05 124 Nézetek

fényt

Hitel: Ant Rozetsky

Az ITMO Egyetem tudósai számos kísérletet végeztek a polimer kvazikristályok vizsgálatára, amelyek végül megerősítették kezdeti elméletüket. A jövőben a kvazikristályok használata új lehetőségeket nyithat meg az érzékelők és a lézerek tervezésében. Ezt a cikket az Advanced Optical Materials c.

A kristályok szilárdak, periodikus felépítésűek, vagyis amikor az atomok mozognak, elfoglalják a többi atom pontos helyét, ahol az utóbbiak a mozgás előtt voltak. Ezt a tényt a 20. század elején tudományosan bizonyították. Ez megalapozta a modern szilárdtestfizikát, és megalapozta a félvezető technológiák fejlődését is.

Mihail Rybin. Hitel: ITMO Egyetem

"Számítógépeket, okostelefonokat, LED izzókat, lézereket - mindazt, amit nem tudunk elképzelni a mindennapjainkban" - mondja Mikhail Rybin, az ITMO Fizikai és Mérnöki Karának egyetemi docense. a félvezető anyagok kristályos szerkezete. A periodikus struktúrák elmélete arra enged következtetni, hogy a hullámok, legyenek azok fény, elektron vagy hang, csak kétféleképpen mozoghatnak. Vagy a hullám terjed előre a kristályon, vagy gyorsan elhalványul az úgynevezett tiltott sáv frekvenciáin. Nincs más lehetőség, és ez nagymértékben leegyszerűsíti a részecske terjedésének törvényszerűségeit, miközben megkönnyíti a mérnöki feladatokat. ".

Egyes eszközök azonban megkövetelik, hogy a kristály ne továbbítsa és ne oltsa el a hullámot, hanem inkább egy ideig megtartsa önmagában; olyasmi kell, mint egy könnyű "csapda".

"Például a lézer vagy az érzékelők működéséhez a hullámnak többször át kell haladnia a készülék munkaterületén, hogy javuljon az aktív elemmel való kölcsönhatás hatékonysága" - magyarázza Mihail Rybin. „Különösen fontos egy„ csapda ”létrehozása a fény számára, mert nagyon nehéz kis területen tartani. Ez egy nagy technológiai kihívás a modern fizika számára ".

Minél nagyobb, annál jobb

Ideális esetben az összes anyagnak „csapda” szerepet kell játszania, mert minél több fény fog be, annál hatékonyabb lesz a hullám és a hatóanyag kölcsönhatása. Kristály esetében azonban ez nem lehetséges. Mint fentebb említettük, csak a hullámot olthatja el, vagy engedheti át.

Könnyű "csapda". Cikk illusztráció. Hitel: onlinelibrary.wiley.com

"Alternatív megoldásként lehetőség van a fény elhelyezésére rendezetlen szerkezetekben, például porokban" - mondja Mihail Rybin. „Az ilyen rendszerekben azonban nem érhetjük el a reprodukálhatóságot. Az egyik mintában a részecskék teljesen másképp rendezkedtek el. Az alkalmazott feladatokhoz szükséged van valamire, amely alkalmas ugyanazok az eszközök tömeggyártására. ".

Van egy harmadik út is. Használhatunk olyan köztes típusú anyagokat, amelyekben a részecskék nem képeznek periodikus rácsokat, mint a kristályokban előfordulnak, ugyanakkor matematikailag szigorú rendezettségűek. Ezeket a szerkezeteket kvázikristályoknak nevezik, az 1980-as években fedezték fel, és azóta a fizikusok tanulmányozták őket.

"Mivel a kvazikristályokban nincs periodicitás" - mondja Mihail Rybin -, nincs olyan korlátozás sem, hogy a hullám közvetlenül veszteség nélkül haladhat el, vagy gyorsan eltűnhet. Egy 2017-ben megjelent cikk megjósolta a fény kvazikristályos struktúrákban való lokalizációjának jelenségét, és ezt kísérletileg meg kellett erősítenünk ".

Artem Sinelnik a laboratóriumban. Hitel: ITMO Egyetem

Könnyebb mondani, mint megtenni

A kvázikristályok közel 40 éves tanulmányozása során a fizikusok megértették szerkezetüket és megtanulták számítógépen modellezni. A probléma az, hogy ezeket a kvázikristályokat nem olyan könnyű szintetizálni mikro szinten.

"Ekkor jön megmentésünkbe a technológia fejlődése" - mondja Artem Sinelnik, a Fizikai és Mérnöki Tanszék doktori hallgatója. „Iskolánkban van egy lehetőség a háromdimenziós nanónyomtatásra, ahol a voxel (a minimális nyomtatási mennyiség - Szerk. ITMO.NEWS) körülbelül fél mikron, ami százszor kisebb, mint egy emberi haj. Segítségükkel létrehoztuk a kvazikristály szerkezetét az anyag komplex strukturált eloszlásával egy háromdimenziós térben ".

Artem Sinelnik. Hitel: ITMO Egyetem

A minták elkészítése után a tudósok megkezdték előzetes tanulmányukat. Elektronmikroszkóppal elemezték a felület minőségét. Ezután folytatták az optikai méréseket annak megerősítésére, hogy a minta belső kapacitása valójában kvázikristályos szerkezetű.

"Ezt követően elvégeztünk egy kísérletet" - magyarázza Artem Sinelnik társszerző - rövid rövid impulzust küldtek a kvazikristályba, és megmérték az úgynevezett fényt. Mint kiderült, a fény késéssel hagyja el a mintáinkat, vagyis a hullám elég sokáig bent marad. Ezért megerősítettük a fény befogásának képességét egy háromdimenziós polimer kvazikristályban ".

Mihail Rybin és Artem Sinelnik. Hitel: ITMO Egyetem

Perspektívák

A munka egyelőre csak alapvető. Bemutatja a polimer kvazikristályok fő optikai tulajdonságait, amelyeket háromdimenziós nanográfia felhasználásával hoztak létre, és a fény lokalizálásának képességét. Amint azonban a szerzők rámutatnak, a tanulmány a jövőben is alkalmazható.

"Például általában egy lézert arra terveznek, hogy van egy aktív közegünk, amelyben a fény egy kellően nagy külső rezonátoron keresztül lokalizálódik" - magyarázza Mihail Rybin. "Ebben a munkában megmutattuk, hogy a kvazikristály egyetlen struktúrában egyesítheti az aktív közeg és a rezonátor funkcióit".

Hivatkozás: Artem D. Sinelnik, Ivan I. Shishkin, Xiaochang Yu, Kirill B. Samusev, Pavel A. Belov, Mikhail F. Limonov, Pavel Ginzburg és Mihail V. "Belső fény lokalizációjának kísérleti megfigyelése fotonikus ikozaéderes kvázikristályokban". Rybin, 2020. szeptember 22., fejlett optikai anyagok.
DOI: 10.1002/adom.202001170