Создание какой-либо технологии или материала сопряжено с фактом его несовершенства. Так или иначе будут недостатки. Порой значительные, сильно влияющие на работу той или иной системы, а соответственно, требующие большого времени и усилий на доработку. А порой недостатки могут быть такими, с которыми мы можем мириться. Но должны ли? Думаю, что нет. Совершенствовать что-то никогда не поздно. Именно об этом и думают сегодняшние наши герои — ученые, решившие улучшить фотонные кристаллы. Сегодня мы узнаем, как в исследовании объединятся топологические изоляторы, рассеяние частиц, жидкие кристаллы и световые волны. Поехали.
Лирическое (теоретическое) отступление
Для начала стоит уделить немного внимания теории (правда немного, не бойтесь).
В прологе я упомянул «фотонные кристаллы», но что это? Это весьма необычный материал, основной особенностью которого является периодичность изменений коэффициента (показателя) преломления в его структуре. Копнув глубже, можно дополнить этот тезис тем, что за счет своей особенности фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов. Эти зоны нам знакомы благодаря полупроводникам, где они уже «работают» в команде с энергией носителей заряда — частиц, переносящих электрический заряд.
Фотонные кристаллы присутствуют в крыльях бабочек (дифракционные решётки).
В случае фотонных кристаллов все зависит от длины световой волны. Если на кристалл падает фотон с длиной волны, соответствующей запрещенной зоне, то фотон не распространяется и отражается обратно. И наоборот, если энергия падающего на кристалл фотона «равна» разрешенной зоне, то фотон распространяется в кристалле.
Получается, что фотонный кристалл обладает нестандартными проводящими свойствами. А это подводит нас к другому понятию — топологические изоляторы.
Такие изоляторы похожи на бутерброд (или сэндвич, если кто предпочитает англицизмы). То есть, снаружи структура такого материала является изолятором, а внутри — проводником. В, так сказать, классических топологических изоляторах одной из проблем является рассеяние частиц. Частицы — ребята подвижные и немного бестактные, потому во время движения любят толкаться, что и служит причиной изменения их изначальной траектории. Такие процессы являются причиной определенных потерь, что, естественно, плохо.
Зависимость энергии от импульса: а — обычный изолятор, б — топологический.
Ученые, о труде которых мы сегодня говорим, считают, что эти проблемы можно решить объединением фотонных кристаллов и кремниевых фотонных технологий. Расплывчато как-то, вам не кажется? Но ученые быстро уточняют что именно они решили использовать — жидкие кристаллы. А вот это словосочетание уже реально заставляет приподнять бровь. Как кристалл может быть жидким? Но, как в физике часто бывает, не все стоит понимать на 100% буквально. Жидкие кристаллы это состояние, в которое переходят некоторые вещества при предельных условиях. В таком случае эти вещества могут обладать одновременно свойствами жидкостей и кристаллов (текучесть и анизотропия). Вы наверняка встречали жидкие кристаллы в какой-то период жизни (электронные часы, ЖК-телевизоры, сотовые телефоны и т.д.).
Типы жидких кристаллов по фазам: а — нематические, b — смектические, с — холестерические.
Для того, чтобы жидкие кристаллы сыграли свою роль, необходимо получить контроль над топологическими краевыми состояниями. Достичь этого можно посредством манипуляций с показателем преломления жидкого кристалла.
Интересная работа, в которой затрагиваются краевые состояния.
Основа исследования
Структура, созданная исследователями, это фотонный кристалл из кремниевых колонн (столбов), погруженных в жидкокристаллическую среду между проводящими электродами (изображение 1а).
Изображение №1
Структура состоит из двух основных областей: с тривиальной топологией и с нетривиальной топологией. Более мелкие области представлены как шестиугольные решетки с шестью колоннами в каждой. Каждая такая решетка является мета-молекулой (утрировано, совокупность молекул), которая может обладать характеристиками тривиальной или нетривиальной топологией зон в зависимости от расстояния между колоннами.
За счет того, что фотонный кристалл погружен в жидкокристаллическую среду, ученые могут манипулировать с показателем коэффициента преломления. При этом амплитуда контролируемого изменения этого параметра может быть довольно велика. Контроль и манипуляция достигаются за счет внешнего электрического поля, получаемого от двух электродов, «ограничивающих» структуру снизу и сверху.
Среднестатистический жидкий кристалл имеет коэффициент преломления 1.5, а двулучепреломление (когда луч света разделяется надвое) порядка 0.2. В данном же исследовании использован жидкий кристалл нематического типа E7: абсолютный показатель преломления — 1.51, экстраординарный показатель преломления* — 1.69.
Экстраординарный показатель преломления* — когда свет обладает параллельной поляризацией относительно оптической оси.На изображении 1b показано как молекулы жидкого кристалла выстраиваются параллельно вдоль кремниевых колонн (режим ON), когда на структуру воздействует внешнее электрическое поле. В такой ситуации свет достаточно эффективно следует по ромбовидному пути, тогда как краевое состояние расположено в объемной запрещенной зоне (изображение 1с).
Второй «режим» структуры — OFF — состояние структуры без воздействия электрического поля. В таком случае молекулы расположены перпендикулярно кремниевым столбам (изображение 1d). Таким образом топологические характеристики структуры не меняются, однако меняется положение запрещенной зоны. Свет же начинает распространяться по объему структуры. То есть свет не проходит по необходимому пути, и наблюдаются большие его потери в процессе. Это отображено на изображении 1е.
По словам исследователей, настраиваемые топологические краевые состояния являются очень перспективной основой для многих технологий. Получение возможности проводить свет по заданному пути с минимальными потерями (в идеале, конечно, без потерь) может дать именно манипуляция с краевыми состояниями.
В исследуемой структуре краевые состояния формируются между топологическими и тривиальными фотонными кристаллами. Решетки обоих кристаллов, независимо друг от друга, обладают типом симметрии C6, которая нарушается в пространстве между этими двумя основами структуры. Нарушение симметрии приводит к возникновению вырождения между спиновыми состояниями, а это позволяет им взаимодействовать вблизи точки Γ. В результате этого взаимодействия возникает небольшая зона («зазор»). Но, несмотря на то, что краевые состояния не лишены таких зон, они позволяют создавать систему передачи света по заданному пути без потерь.
Потери на пути могут возникать по ряду причин: резкие повороты данного пути, дефекты структуры или кристалла в частности. Таким образом структура должна работать так, чтобы, несмотря на подобные преграды, свет проходил путь без потерь. В первую очередь необходимо, чтобы были краевые состояния при заданной частоте.
Изображение №2
Ученые решили проанализировать ленточный фотонный кристалл, дабы подтвердить наличие нетривиальных краевых состояний в его структуре. Анализ показал наличие как краевых, так и объемных состояний. И это проблема. Поскольку наличие хотя бы одного объемного состояния, даже при наличии краевых состояний, приведет к тому, что любое препятствие на пути света станет причиной его рассеяния в объеме структуры, то есть к потерям (изображение 2). Как вывод — от объемных состояний нужно избавиться.
Для примера используем Z-образный путь света. Такой путь сопряжен с потерями, ввиду своей не прямой траектории. Итак, есть два варианта провести свет по такому необычному пути без потерь. Первый — использовать металлические электроды, которые будут «сдерживать» свет внутри структуры фотонного кристалла. Этот метод, к сожалению, имеет и свои недостатки: потери все равно будут, но уже на уровне оптических частот. Второй вариант куда более привлекательный — расположить электроды на некотором расстоянии от структуры фотонного кристалла. Образовавшееся свободное пространство можно заполнить жидким кристаллом, который обладает значительно меньшим коэффициентом преломления в сравнении с основной структурой.
Также исследователи обнаружили предельный диапазон частот, при которых не будут возникать ни желаемые краевые состояния, ни нежеланные объемные. Это связано с желанием избежать пересечений краевых состояний, которые могут возникать ввиду нарушения С6 симметрии.
Показатель преломления также влияет на размер и расположение запрещенной зоны структуры. К примеру, на изображении 2с показано, что при показателе в 1.51 запрещенная зона охватывает диапазон нормализованных частот 0.441…0.462. Но при показателе в 1.69 диапазон меняется — 0.433…0.447 (изображение 2g).
Изображение №3
Для дальнейшего анализа ученые решили выбрать частоту 0.433. На изображении 3а (показатель преломления 1.51) и 3d (показатель преломления 1.69) показано как свет проходит путь при такой частоте.
Когда показатель преломления равен 1.51 не возникают необходимые краевые состояния, из-за чего свет не фокусируется, так сказать, и начинает рассеиваться по структуре. Вернемся к изображению №2, точнее к d и g, для разъяснений. Нормализованная частота 0.433 расположена ниже запрещенной зоны тривиального (красные кривые) и топологического (зеленые кривые) регионов фотонного кристалла. Если же показатель преломления равен 1.69, то частота 0.433 попадает как раз в запрещенную зону обоих регионов.
Также ученые провели эксперимент с разными показателями преломления одновременно. Это было достигнуто разделенным воздействием внешнего электрического поля на тривиальный и топологический регионы отдельно. Электроды же разделены между собой тонкой пленкой изолятора. Анализ запрещенных зон в этом эксперименте показан на изображениях 2e и 2f. А распространение света по пути с ромбообразным дефектом показано на 3b и 3с. В данном эксперименте свет опять же распространяется по структуре. Как следствие, оба региона структуры, топологический и тривиальный, должны обладать одинаковым показателем преломления.
Ознакомиться с деталями исследования, в частности с расчетами, вы можете посредством доклада исследовательской группы.
Эпилог
Исследователям удалось создать систему, в которой свет можно провести по сложному (нелинейному) пути без потерь, используя манипуляции с показателями преломления составных элементов структуры. Были отмечены необходимые условия для получения подобного результата: наличие нетривиальных топологических краевых состояний и отсутствие объемных состояний. Также исследователи отметили, что разница в показателе преломления между тривиальным и топологическим регионами негативно сказывается на светопередаче, приводя к рассеянию света и, соответственно, к потерям.
Использование жидких кристаллов в сопряжении с кремнием позволило контролировать, изменять и манипулировать определенными характеристиками структуры, тем самым настраивая ее под необходимый результат.
Данное исследование лишний раз показывает невероятный потенциал жидких кристаллов, как составного элемента совершенствования технологий передачи данных, а также их обработки. Эта технология не нова, но еще далеко не все вариации ее применения были открыты. Чем больше путей ученые находят, тем проще развиваться технологиям. И даже если открытый путь не будет использован в будущем, он может послужить толчком для других исследователей найти свой путь. Конкуренция полезна не только в экономике, но и в исследованиях.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
