от Аделита Ekim 6, 2020, 11:05 ч 124 Изгледи

полимерен

Кредит: Ant Rozetsky

Учени от университета ITMO са провели няколко експеримента за изследване на полимерни квазикристали, които окончателно потвърждават първоначалната им теория. В бъдеще използването на квазикристали може да отвори нови възможности за сензорно и лазерно проектиране. Тази статия е публикувана в Advanced Optical Materials.

Кристалите са твърди с периодична структура, т.е. когато атомите се движат, те заемат точното място на другите атоми, където последните са били преди движението. Този факт е научно доказан в началото на 20 век. Това породи съвременната физика на твърдото тяло и също така постави основата за развитието на полупроводникови технологии.

Михаил Рибин. Кредит: ITMO University

„Компютрите, смартфоните, LED крушките, лазерите - всичко, което не можем да си представим в нашето ежедневие“, казва Михаил Рибин, доцент във Физико-техническия факултет на ITMO, „е проектирано благодарение на факта, че разбираме природата на кристалната структура. от полупроводникови материали. Теорията за периодичните структури ни позволява да заключим, че вълните, независимо дали са светлина, електрон или звук, могат да се движат само по два начина. Или вълната се разпространява напред върху кристала, или тя бързо избледнява на честоти в така наречената забранена лента. Няма други опции и това значително опростява законите за разпространение на частиците, като същевременно улеснява инженерните задачи ".

Някои устройства обаче изискват кристалът да не предава вълната, нито да я гаси, а по-скоро да я задържи в себе си за известно време; имате нужда от нещо като лек "капан".

„Например, за работата на лазера или сензорите, вълната трябва да премине през работната зона на устройството няколко пъти, за да подобри ефективността на взаимодействието му с активен елемент“, обяснява Михаил Рибин. „Особено важно е да се създаде„ капан “за светлината, защото е много трудно да се задържи на малка площ. Това е голямо технологично предизвикателство за съвременната физика ".

Колкото по-голям, толкова по-добре

В идеалния случай целият материал трябва да поеме ролята на "капан", тъй като колкото повече светлина се улавя, толкова по-ефективно е взаимодействието на вълната с активното вещество. В случай на кристал обаче това не е възможно. Както беше посочено по-горе, можете само да угасите вълната или да я оставите да премине.

Лек "капан". Илюстрация на статия. Кредит: onlinelibrary.wiley.com

„Като алтернатива има възможност за локализиране на светлина в неподредени структури, например в прахове“, казва Михаил Рибин. „Въпреки това не можем да постигнем възпроизводимост в такива системи. В една проба частиците са подредени по един и друг начин, напълно различни. За приложени задачи се нуждаете от нещо подходящо за масово производство на същите устройства. ".

Има и трети начин. Можем да използваме междинен тип материали, в които частиците не образуват периодични решетки, както се случва в кристалите, но в същото време имат математически строг ред. Тези структури се наричат ​​квазикристали, те са открити през 80-те години и оттогава са изследвани от физиците.

„Тъй като в квазикристалите няма периодичност - казва Михаил Рибин, - също така няма ограничение, че вълната може да премине директно без загуба или да изчезне бързо. Статия, публикувана през 2017 г., предсказва явлението локализация на светлината в квазикристални структури и ние трябваше да го потвърдим експериментално ".

Артем Синелник в лабораторията. Кредит: ITMO University

По-лесно да се каже, отколкото да се направи

По време на близо 40 години изучаване на квазикристали, физиците са разбрали тяхната структура и са се научили да я моделират на компютър. Проблемът е, че тези квазикристали не са толкова лесни за синтезиране на микро ниво.

„Тогава развитието на технологиите ни спасява“, казва Артем Синелник, докторант в Катедрата по физика и инженерство. „В нашето училище има настройка за триизмерен нанопечат, където воксел (минималният обем на печат - Ed. ITMO.NEWS) е около половин микрон, което е сто пъти по-малко от човешки косъм. С тяхна помощ създадохме структурата на квазикристал със сложно структурирано разпределение на материала в триизмерно пространство. ".

Артем Синелник. Кредит: ITMO University

След създаването на пробите учените започват предварителното си проучване. Те анализираха качеството на повърхността с електронен микроскоп. След това пристъпиха към оптичните измервания, за да потвърдят, че вътрешният капацитет на пробата всъщност има квазикристална структура.

„След това направихме експеримент“, обяснява съавторът Артем Синелник, „към квазикристала беше изпратен кратък светлинен импулс и беше измерено така нареченото сияние. Както се оказа, светлината напуска нашите проби със закъснение, тоест вълната остава вътре доста дълго време. Следователно, ние потвърдихме способността да улавяме светлина в триизмерен полимерен квазикристал ".

Михаил Рибин и Артем Синелник. Кредит: ITMO University

Перспективи

Засега работата е само фундаментална. Той демонстрира основните оптични свойства на полимерните квазикристали, създадени с помощта на триизмерен нанопечат, и способността им да локализират светлината. Въпреки това, както посочват авторите, изследването може да се приложи в бъдеще.

„Например, обикновено лазерът е проектиран въз основа на факта, че имаме активна среда, в която светлината се локализира чрез достатъчно голям външен резонатор“, обяснява Михаил Рибин. „В тази работа показахме, че квазикристалът може да комбинира функциите на активна среда и резонатор в една структура“.

Справка: „Експериментално наблюдение на локализацията на присъщата светлина в фотонните икосаедрични квазикристали“ от Артем Д. Синелник, Иван И. Шишкин, Сяочанг Ю, Кирил Б. Самусев, Павел А. Белов, Михаил Ф. Лимонов, Павел Гинзбург и Михаил V Rybin, 22 септември 2020 г., Advanced Optical Materials.
DOI: 10.1002/adom.202001170