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3D泡沫能够操控光线

发布:laserpulse    |    2019-11-29 16:38    阅览:6273
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美国普林斯顿大学的科学家发现,一种称为Weaire-Phelan泡沫的资料能够用作滤光片。除了增加了咱们对这种泡沫的了解(现已研讨了130多年)之外,这一发现还或许影响了新式光通信设备的开发。泡沫具有许多实践运用,而且是从化学过滤器到热交换器产品中的常见成分。用数学术语来说,它们已知用于构成它们的几许形状或单元的外表积最小化的结构。正是这一特性招引了19世纪苏格兰物理学家开尔文(Lord Kelvin)的留意。1887年,开尔文(Kelvin)提出,以为这种“发光的乙醚”渗透到整个空间中或许具有泡沫状的结构。然后,他测验经过将3D空间细分为持平体积的互锁单元并使单元之间的外表积最小化来找到填充3D空间的最有用办法,所得的气泡状结构被称为开尔文泡沫。

Phoamtonics初次露脸。

超高效空间填充物

一个多世纪今后,爱尔兰物理学家丹尼斯·韦尔(Denis Weaire)和他的学生罗伯特·费兰(Robert Phelan)经过提出一种需求更少外表积的代替计划,改进了开尔文的猜测。 尽管Weaire-Phelan(WP)泡沫在外表上看起来相似于肥皂泡或一杯啤酒上无序的泡沫,但实践上它是一种准确的结构,其间包括两种类型的孔(与开尔文原始孔中的一种相反) 提案。发现后二十五年,WP泡沫仍然是已知存在的最有用的空间填充有序泡沫。

泡沫边际的3D光子网络

关于可湿性发泡剂现已进行了许多研讨,而且它们的许多物理性质已被很好地了解。 可是,迈克尔·克拉特(Michael Klatt)、保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)和萨尔瓦托·托尔夸托(Salvatore Torquato)的普林斯顿团队采用了不同的办法,研讨了由WP泡沫、开尔文泡沫和另一种称为C15的枯燥结晶泡沫的边际制成的3D光子网络的光学特性。 这类泡沫所含的液体很少,其边际结构的特征是一组称为高原规律的联络。这些规律规则,泡沫中单个泡孔的鸿沟以四个一组的方法相交,每个极点的四面体结合角约等于109°。 原则上,经过固化泡沫并用介电资料涂覆泡沫,能够将这种边际结构转变为光子网络。

光子带隙

研讨小组针对这些结构模拟了麦克斯韦的电磁波方程,以确定当光穿过它们时它们的行为。这些核算是由Klatt在普林斯顿核算科学与工程学院的超级核算机上履行的,而且核算量大,需求运用名为Surface Evolver的软件对泡沫进行剖析的基础上再进行一组具体的核算,该软件依据其形状来优化形状外表性质。结果表明,三种泡沫的折射率均随电磁波(例如可见光)的长度规模而改变,这种现象称为光子带隙。此类空隙的存在会影响光或其他波在资猜中的传达方法,然后答应某些波长经过而彻底反射其他波长。

带隙通常以百分比来衡量,这些百分比表明频率空隙相关于空隙中心频率的巨细。依据研讨人员的核算,开尔文泡沫的带隙为7.7%,而C15泡沫的带隙为13%。 WP泡沫在这三个中具有最大的光子带隙,为16.9%。这些数字等于或大于自组织光子晶体(如组成蛋白石)中的带隙。一切三种泡沫的带隙也是高度各向同性的,这意味着它们不具有强方向性。这关于规划光子波导和其他光学电路或许很有用。

“光声学”的鼓起

研讨人员说,他们的核算为WP泡沫和相似资料的未来作业供给了许多或许性,他们将其称为“光子学”(来自“泡沫”加“光子学”)。一种或许性是例如在电信运用中运用这些泡沫来传输和操作光。现在,许多经过Internet传输的数据是由玻璃光纤承载的,可是当抵达意图地时,光子信号将转换为电信号,然后导致速度和精度的丢失。 Torquato以为,光子带隙资料能够比传统的光纤电缆更准确地引导光,乃至能够用作运用光履行核算的光晶体管。Torquato弥补说,这一发现还扩展了可用于光子运用的3D异质结构的规模,超出了光子晶体、准晶体和非晶网络。他告知《物理国际》:“尽管WP泡沫的带隙的确比其他有序金刚石网络(31.6%)之类的闻名资料小,但由于其多功能特性,它或许会供给一些优势。”

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