de Adelita Ekim 6, 2020, 11:05 am 124 Vizualizări

captează

Credit: Ant Rozetsky

Oamenii de știință de la Universitatea ITMO au efectuat mai multe experimente pentru a investiga cvasicristalele polimerice care au confirmat în cele din urmă teoria inițială. În viitor, utilizarea cvasicristalelor poate deschide noi posibilități pentru proiectarea senzorilor și a laserului. Acest articol a fost publicat în Advanced Optical Materials.

Cristalele sunt solide cu o structură periodică, adică atunci când atomii se mișcă, ei ocupă locul exact al altor atomi, unde aceștia din urmă se aflau înainte de mișcare. Acest fapt a fost dovedit științific la începutul secolului al XX-lea. A dat naștere fizicii moderne în stare solidă și, de asemenea, a pus bazele dezvoltării tehnologiilor semiconductoare.

Mikhail Rybin. Credit: Universitatea ITMO

„Calculatoare, smartphone-uri, becuri cu LED-uri, lasere - tot ceea ce nu ne putem imagina în viața noastră de zi cu zi”, spune Mikhail Rybin, profesor asociat la Facultatea de Fizică și Inginerie ITMO, „a fost conceput datorită faptului că înțelegem natura structurii cristaline. a materialelor semiconductoare. Teoria structurilor periodice ne permite să concluzionăm că undele, indiferent dacă sunt lumină, electroni sau sunet, se pot mișca doar în două moduri. Fie unda se propagă înainte pe cristal, fie se estompează rapid la frecvențe în așa-numita bandă interzisă. Nu există alte opțiuni și simplifică mult legile propagării particulelor, facilitând în același timp sarcinile de inginerie. ".

Cu toate acestea, unele dispozitive necesită ca cristalul să nu transmită unda și să nu o stingă, ci să o rețină în sine pentru o perioadă de timp; ai nevoie de ceva de genul unei „capcane” ușoare.

„De exemplu, pentru funcționarea laserului sau a senzorilor, unda trebuie să treacă de mai multe ori prin zona de lucru a dispozitivului pentru a îmbunătăți eficiența interacțiunii sale cu un element activ”, explică Mikhail Rybin. „Este deosebit de important să creăm o„ capcană ”pentru lumină, deoarece este foarte dificil să o păstrăm într-o zonă mică. Este o provocare tehnologică majoră pentru fizica modernă ".

Cu cât mai mare cu atât mai bine

În mod ideal, tot materialul ar trebui să-și asume rolul de „capcană”, deoarece cu cât este captată mai multă lumină, cu atât este mai eficientă interacțiunea undei cu substanța activă. Cu toate acestea, în cazul unui cristal, nu este posibil. După cum sa menționat mai sus, puteți stinge valul sau îl puteți lăsa să treacă.

O „capcană” ușoară. Ilustrarea articolului. Credit: onlinelibrary.wiley.com

„Alternativ, există posibilitatea localizării luminii în structuri dezordonate, de exemplu în pulberi”, spune Mikhail Rybin. „Cu toate acestea, nu putem realiza reproductibilitatea în astfel de sisteme. Într-o probă, particulele aranjate într-un fel și altul, complet diferite. Pentru sarcinile aplicate, aveți nevoie de ceva potrivit pentru producția în masă a acelorași dispozitive. ".

Există, de asemenea, o a treia cale. Putem folosi un tip intermediar de materiale în care particulele nu formează rețele periodice, așa cum se întâmplă în cristale, dar în același timp au un aranjament strict ordonat matematic. Aceste structuri se numesc cvasicristale, au fost descoperite în anii 1980 și au fost studiate de fizicieni de atunci.

„Întrucât nu există periodicitate în cvasicristale”, spune Mikhail Rybin, „nu există nici o restricție ca unda să treacă direct fără pierderi sau să dispară rapid. Un articol publicat în 2017 a prezis fenomenul localizării luminii în structurile cvasicristaline și a trebuit să-l confirmăm experimental ".

Artem Sinelnik în laborator. Credit: Universitatea ITMO

Mai ușor de zis decât de făcut

De-a lungul a aproape 40 de ani de studiu a cvasicristalelor, fizicienii și-au înțeles structura și au învățat să o modeleze pe computer. Problema este că aceste cvasicristale nu sunt atât de ușor de sintetizat la nivel micro.

„Atunci vine dezvoltarea noastră a tehnologiei”, spune Artem Sinelnik, doctorand la Departamentul de Fizică și Inginerie. „La școala noastră, există o setare pentru nanoprintarea tridimensională, unde un voxel (volumul minim de imprimare - Ed. ITMO.NEWS) este de aproximativ o jumătate de micron, care este de o sută de ori mai mic decât un păr uman. Cu ajutorul lor, am creat structura unui quasicristal cu o distribuție complexă structurată a materialului într-un spațiu tridimensional ".

Artem Sinelnik. Credit: Universitatea ITMO

După crearea probelor, oamenii de știință și-au început studiul preliminar. Ei au analizat calitatea suprafeței cu un microscop electronic. Apoi au trecut la măsurătorile optice pentru a confirma că capacitatea internă a probei are de fapt o structură cvasicristalină.

„După aceea, am făcut un experiment”, explică co-autorul Artem Sinelnik, „un impuls scurt de lumină a fost trimis la quasicristal și a fost măsurată așa-numita strălucire. După cum sa dovedit, lumina părăsește probele noastre cu o întârziere, adică unda rămâne înăuntru destul de mult timp. Prin urmare, am confirmat capacitatea de a capta lumină într-un polimer cuasicristal tridimensional ".

Mikhail Rybin și Artem Sinelnik. Credit: Universitatea ITMO

Perspective

Deocamdată, munca este doar fundamentală. Acesta demonstrează principalele proprietăți optice ale cvasicristalelor polimerice, create folosind nanoprintarea tridimensională și capacitatea lor de a localiza lumina. Cu toate acestea, după cum subliniază autorii, studiul poate fi aplicat în viitor.

„De exemplu, în mod normal, un laser este proiectat pe baza faptului că avem un mediu activ în care lumina este localizată printr-un rezonator extern suficient de mare”, explică Mikhail Rybin. „În această lucrare, am arătat că un quasicristal poate combina funcțiile unui mediu activ și a unui rezonator într-o singură structură”.

Referință: „Observație experimentală a localizării luminii intrinseci în cvasicristale fotonice icosaedrice” de Artem D. Sinelnik, Ivan I. Shishkin, Xiaochang Yu, Kirill B. Samusev, Pavel A. Belov, Mihail F. Limonov, Pavel Ginzburg și Mihail V Rybin, 22 septembrie 2020, Materiale optice avansate.
DOI: 10.1002/adom.202001170