від Adelita 6 квітня 2020 р., 11:05 124 Перегляди

світло

Кредит: Ант Розетський

Вчені з Університету ІТМО провели кілька експериментів для дослідження полімерних квазикристалів, які остаточно підтвердили їх початкову теорію. У майбутньому використання квазикристалів може відкрити нові можливості для проектування датчиків та лазерів. Ця стаття була опублікована в Advanced Optical Materials.

Кристали тверді з періодичною структурою, тобто коли атоми рухаються, вони займають точне місце інших атомів, де останні були до переміщення. Цей факт був науково доведений на початку 20 століття. Це породило сучасну фізику твердого тіла, а також заклало основу для розвитку напівпровідникових технологій.

Михайло Рибін. Кредит: Університет ІТМО

«Комп’ютери, смартфони, світлодіодні лампи, лазери - усе, чого ми не можемо уявити у своєму повсякденному житті, - каже Михайло Рибін, доцент фізико-технічного факультету ІТМО, - було розроблено завдяки тому, що ми розуміємо природу кристалічної структури напівпровідникових матеріалів. Теорія періодичних структур дозволяє зробити висновок, що хвилі, будь то світло, електрони чи звук, можуть рухатися лише двома шляхами. Або хвиля поширюється вперед на кристалі, або вона швидко згасає на частотах у так званій забороненій смузі. Інших варіантів немає, і це значно спрощує закони поширення частинок, одночасно полегшуючи інженерні завдання ".

Однак деякі пристрої вимагають, щоб кристал не пропускав хвилю і не гасив її, а деякий час утримував у собі; вам потрібно щось на зразок легкої "пастки".

"Наприклад, для роботи лазера або датчиків хвиля повинна кілька разів проходити через робочу область пристрою, щоб підвищити ефективність його взаємодії з активним елементом", - пояснює Михайло Рибін. «Особливо важливо створити« пастку »для світла, тому що тримати його на невеликій ділянці дуже важко. Це головний технологічний виклик для сучасної фізики ".

Чим більше, тим краще

В ідеалі, весь матеріал повинен виконувати роль "пастки", оскільки чим більше світла захоплюється, тим ефективніше взаємодія хвилі з активною речовиною. Однак у випадку кристала це неможливо. Як було сказано вище, ви можете лише загасити хвилю або дати їй пройти.

Легка "пастка". Ілюстрація статті. Кредит: onlinelibrary.wiley.com

"Як варіант, існує можливість розташування світла в невпорядкованих структурах, наприклад, у порошках", - говорить Михайло Рибін. “Однак ми не можемо досягти відтворюваності в таких системах. В одному зразку частинки розташовані в один і інший бік, абсолютно по-різному. Для прикладних завдань вам потрібно щось підходяще для масового виробництва тих самих пристроїв ".

Існує також третій шлях. Ми можемо використовувати проміжний тип матеріалів, у яких частинки не утворюють періодичних решіток, як це відбувається в кристалах, але в той же час мають строго математично упорядковане розташування. Ці структури називаються квазикристалами, вони були відкриті у 1980-х роках і з тих пір вивчались фізиками.

«Оскільки в квазикристалах немає періодичності, - говорить Михайло Рибін, - також немає обмежень щодо того, що хвиля може проходити безпосередньо без втрат або швидко зникати. Стаття, опублікована в 2017 році, передбачила явище локалізації світла в квазикристалічних структурах, і нам довелося підтвердити це експериментально ".

Артем Синельник в лабораторії. Кредит: Університет ІТМО

Простіше сказати, ніж зробити

Протягом майже 40 років вивчення квазикристалів фізики зрозуміли їх будову і навчилися моделювати її на комп’ютері. Проблема в тому, що ці квазикристали не так просто синтезувати на мікрорівні.

«Саме тоді нам допомагає розвиток технологій, - говорить Артем Сінельник, докторант фізико-технічного факультету. «У нашій школі існує настройка для тривимірного нанодруку, де воксель (мінімальний обсяг друку - Ред. ITMO.NEWS) становить приблизно півмікрона, що в сто разів менше, ніж людське волосся. З їх допомогою ми створили структуру квазікристалу зі складним структурованим розподілом матеріалу в тривимірному просторі ".

Артем Синельник. Кредит: Університет ІТМО

Після створення зразків вчені розпочали попереднє дослідження. Вони проаналізували якість поверхні за допомогою електронного мікроскопа. Потім вони перейшли до оптичних вимірювань, щоб підтвердити, що внутрішня ємність зразка насправді має квазікристалічну структуру.

«Після цього ми провели експеримент, - пояснює співавтор Артем Синельник, - до квазікристалу було надіслано короткий світловий імпульс і виміряно так зване світіння. Як виявилося, світло залишає наші зразки із затримкою, тобто хвиля залишається всередині досить довго. Тому ми підтвердили здатність вловлювати світло в тривимірному полімерному квазикристалі ".

Михайло Рибін та Артем Синельник. Кредит: Університет ІТМО

Перспективи

Наразі робота є лише фундаментальною. Він демонструє основні оптичні властивості полімерних квазикристалів, створених за допомогою тривимірного нанодруку, та їх здатність локалізувати світло. Однак, як зазначають автори, дослідження можна застосувати в майбутньому.

"Наприклад, зазвичай лазер проектується на основі того факту, що ми маємо активне середовище, в якому світло локалізується через досить великий зовнішній резонатор", - пояснює Михайло Рибін. "У цій роботі ми показали, що квазікристал може поєднувати функції активного середовища та резонатора в одній структурі".

Довідково: "Експериментальне спостереження за локалізацією власного світла в фотонних ікосаедричних квазикристалах" Артем Д. Синельник, Іван І. Шишкін, Сяочанг Ю, Кирило Б. Самусєв, Павло А. Бєлов, Михайло Ф. Лимонов, Павло Гінзбург та Михайло V Рибін, 22 вересня 2020 р., Advanced Optical Materials.
DOI: 10.1002/adom.202001170