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3D泡沫可以控制光線

發布:laserpulse    |    2019-11-29 16:38    閱讀:6265
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美國普林斯頓大學的科學家發現,一種稱為Weaire-Phelan泡沫的材料可以用作濾光片。除了增加了我們對這種泡沫的理解(已經研究了130多年)之外,這一發現還可能刺激了新型光通信設備的開發。泡沫具有許多實際應用,并且是從化學過濾器到熱交換器產品中的常見成分。用數學術語來說,它們已知用于構成它們的幾何形狀或單元的表面積最小化的結構。正是這一特性吸引了19世紀蘇格蘭物理學家開爾文(Lord Kelvin)的注意。1887年,開爾文(Kelvin)提出,認為這種“發光的乙醚”滲透到整個空間中可能具有泡沫狀的結構。然后,他嘗試通過將3D空間細分為相等體積的互鎖單元并使單元之間的表面積最小化來找到填充3D空間的最有效方法,所得的氣泡狀結構被稱為開爾文泡沫。

Phoamtonics首次亮相。

超高效空間填充物

一個多世紀以后,愛爾蘭物理學家丹尼斯·韋爾(Denis Weaire)和他的學生羅伯特·費蘭(Robert Phelan)通過提出一種需要更少表面積的替代方案,改善了開爾文的猜想。 盡管Weaire-Phelan(WP)泡沫在表面上看起來類似于肥皂泡或一杯啤酒上無序的泡沫,但實際上它是一種精確的結構,其中包含兩種類型的孔(與開爾文原始孔中的一種相反) 提案。發現后二十五年,WP泡沫仍然是已知存在的最有效的空間填充有序泡沫。

泡沫邊緣的3D光子網絡

關于可濕性發泡劑已經進行了很多研究,并且它們的許多物理性質已被很好地理解。 然而,邁克爾·克拉特(Michael Klatt)、保羅·斯坦哈特(Paul Steinhardt)和薩爾瓦托·托爾夸托(Salvatore Torquato)的普林斯頓團隊采用了不同的方法,研究了由WP泡沫、開爾文泡沫和另一種稱為C15的干燥結晶泡沫的邊緣制成的3D光子網絡的光學特性。 這類泡沫所含的液體很少,其邊緣結構的特征是一組稱為高原定律的關系。這些定律規定,泡沫中單個泡孔的邊界以四個一組的形式相交,每個頂點的四面體結合角約等于109°。 原則上,通過固化泡沫并用介電材料涂覆泡沫,可以將這種邊緣結構轉變為光子網絡。

光子帶隙

研究小組針對這些結構模擬了麥克斯韋的電磁波方程,以確定當光穿過它們時它們的行為。這些計算是由Klatt在普林斯頓計算科學與工程學院的超級計算機上執行的,并且計算量大,需要使用名為Surface Evolver的軟件對泡沫進行分析的基礎上再進行一組詳細的計算,該軟件根據其形狀來優化形狀表面性質。結果表明,三種泡沫的折射率均隨電磁波(例如可見光)的長度范圍而變化,這種現象稱為光子帶隙。此類間隙的存在會影響光或其他波在材料中的傳播方式,從而允許某些波長通過而完全反射其他波長。

帶隙通常以百分比來衡量,這些百分比表示頻率間隙相對于間隙中心頻率的大小。根據研究人員的計算,開爾文泡沫的帶隙為7.7%,而C15泡沫的帶隙為13%。 WP泡沫在這三個中具有最大的光子帶隙,為16.9%。這些數字等于或大于自組織光子晶體(如合成蛋白石)中的帶隙。所有三種泡沫的帶隙也是高度各向同性的,這意味著它們不具有強方向性。這對于設計光子波導和其他光學電路可能很有用。

“光聲學”的興起

研究人員說,他們的計算為WP泡沫和類似材料的未來工作提供了很多可能性,他們將其稱為“光子學”(來自“泡沫”加“光子學”)。一種可能性是例如在電信應用中使用這些泡沫來傳輸和操縱光。目前,許多通過Internet傳輸的數據是由玻璃光纖承載的,但是當到達目的地時,光子信號將轉換為電信號,從而導致速度和精度的損失。 Torquato認為,光子帶隙材料可以比傳統的光纖電纜更精確地引導光,甚至可以用作使用光執行計算的光晶體管。Torquato補充說,這一發現還擴大了可用于光子應用的3D異質結構的范圍,超出了光子晶體、準晶體和非晶網絡。他告訴《物理世界》:“雖然WP泡沫的帶隙確實比其他有序金剛石網絡(31.6%)之類的知名材料小,但由于其多功能特性,它可能會提供一些優勢。”

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