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3D泡沫可以控制光线

发布:laserpulse    |    2019-11-29 16:38    阅读:186
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美国普林斯顿大学的科学家发现,一种称为Weaire-Phelan泡沫的材料可以用作滤光片。除了增加了我们对这种泡沫的理解(已经研究了130多年)之外,这一发现还可能刺激了新型光通信设备的开发。泡沫具有许多实际应用,并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何形状或单元的表面积最小化的结构。正是这一特性吸引了19世纪苏格兰物理学家开尔文(Lord Kelvin)的注意。1887年,开尔文(Kelvin)提出,认为这种“发光的乙醚”渗透到整个空间中可能具有泡沫状的结构。然后,他尝试通过将3D空间细分为相等体积的互锁单元并使单元之间的表面积最小化来找到填充3D空间的最有效方法,所得的气泡状结构被称为开尔文泡沫。

Phoamtonics首次亮相。

超高效空间填充物

一个多世纪以后,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)通过提出一种需要更少表面积的替代方案,改善了开尔文的猜想。 尽管Weaire-Phelan(WP)泡沫在表面上看起来类似于肥皂泡或一杯啤酒上无序的泡沫,但实际上它是一种精确的结构,其中包含两种类型的孔(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效的空间填充有序泡沫。

泡沫边缘的3D光子网络

关于可湿性发泡剂已经进行了很多研究,并且它们的许多物理性质已被很好地理解。 然而,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方法,研究了由WP泡沫、开尔文泡沫和另一种称为C15的干燥结晶泡沫的边缘制成的3D光子网络的光学特性。 这类泡沫所含的液体很少,其边缘结构的特征是一组称为高原定律的关系。这些定律规定,泡沫中单个泡孔的边界以四个一组的形式相交,每个顶点的四面体结合角约等于109°。 原则上,通过固化泡沫并用介电材料涂覆泡沫,可以将这种边缘结构转变为光子网络。

光子带隙

研究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。这些计算是由Klatt在普林斯顿计算科学与工程学院的超级计算机上执行的,并且计算量大,需要使用名为Surface Evolver的软件对泡沫进行分析的基础上再进行一组详细的计算,该软件根据其形状来优化形状表面性质。结果表明,三种泡沫的折射率均随电磁波(例如可见光)的长度范围而变化,这种现象称为光子带隙。此类间隙的存在会影响光或其他波在材料中的传播方式,从而允许某些波长通过而完全反射其他波长。

带隙通常以百分比来衡量,这些百分比表示频率间隙相对于间隙中心频率的大小。根据研究人员的计算,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(如合成蛋白石)中的带隙。所有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。这对于设计光子波导和其他光学电路可能很有用。

“光声学”的兴起

研究人员说,他们的计算为WP泡沫和类似材料的未来工作提供了很多可能性,他们将其称为“光子学”(来自“泡沫”加“光子学”)。一种可能性是例如在电信应用中使用这些泡沫来传输和操纵光。目前,许多通过Internet传输的数据是由玻璃光纤承载的,但是当到达目的地时,光子信号将转换为电信号,从而导致速度和精度的损失。 Torquato认为,光子带隙材料可以比传统的光纤电缆更精确地引导光,甚至可以用作使用光执行计算的光晶体管。Torquato补充说,这一发现还扩大了可用于光子应用的3D异质结构的范围,超出了光子晶体、准晶体和非晶网络。他告诉《物理世界》:“虽然WP泡沫的带隙确实比其他有序金刚石网络(31。6%)之类的知名材料小,但由于其多功能特性,它可能会提供一些优势。”

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