晶體是具有周期性結(jié)構(gòu)的固體,即,當(dāng)原子移位時(shí),它們會(huì)取代其他原子的確切位置,而其他原子在該位置是移位之前的位置。這個(gè)事實(shí)在20世紀(jì)初得到了科學(xué)證明。它催生了現(xiàn)代固態(tài)物理學(xué),也為半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
據(jù)《激光制造商情》了解,近期,ITMO(俄羅斯圣光機(jī)大學(xué))的研究人員在《高級(jí)光學(xué)材料》上發(fā)表了一篇論文,論文稱,他們進(jìn)行了數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn),以研究聚合物準(zhǔn)晶體,最終證實(shí)了其最初的理論。將來(lái),準(zhǔn)晶體的使用可能為激光和傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)辟新的可能性。
ITMO物理與工程學(xué)院副教授Mikhail Rybin表示:“計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、LED燈泡、激光器……我們無(wú)法想象的所有生活,都是因?yàn)槲覀兞私獍雽?dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。周期性結(jié)構(gòu)的理論使我們可以得出結(jié)論:波(無(wú)論是光、電子還是聲音)只能以兩種方式移動(dòng)。波要么在晶體中向前傳播,要么以所謂的帶隙頻率迅速衰減。沒(méi)有其他選擇,它極大簡(jiǎn)化了粒子傳播的規(guī)律,同時(shí)簡(jiǎn)化了工程任務(wù)。”
但是,某些設(shè)備要求晶體既不傳輸也不消滅波,而是將其保留一段時(shí)間,這需要光“陷阱”之類的東西。
“例如,對(duì)于激光或傳感器操作,該波必須多次通過(guò)設(shè)備的工作區(qū)域,以提高其與有源元件相互作用的效率?!?Mikhail Rybin解釋說(shuō),“為光線創(chuàng)建這樣的“陷阱”尤其重要,因?yàn)楹茈y將其保持在較小的區(qū)域內(nèi)。對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)來(lái)說(shuō),這是一項(xiàng)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)?!?/p>
越大越好
理想情況下,整個(gè)材料應(yīng)起“陷阱”的作用,因?yàn)椴东@的光越多,波與活性物質(zhì)的相互作用就越有效。但是,在晶體的情況下是不可能的。如前所述,它只能消滅或讓波浪通過(guò)。
光“陷阱”
Mikhail Rybin指出:“或者,有可能將光集中在無(wú)序結(jié)構(gòu)中,例如粉末中。但是,我們無(wú)法在此類系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性。在一個(gè)樣本中,粒子以一種方式排列,而在另一種方式中完全不同。對(duì)于應(yīng)用任務(wù),您需要一些適合大量生產(chǎn)相同設(shè)備的東西?!?/p>
還有第三種方式。我們可以使用一種中間類型的材料,其中顆粒不會(huì)像晶體中那樣形成周期性的晶格,但同時(shí)在數(shù)學(xué)上有嚴(yán)格的排序。這些結(jié)構(gòu)被稱為準(zhǔn)晶體,它們是在1980年代發(fā)現(xiàn)的,自那以后就被物理學(xué)家研究。
“由于準(zhǔn)晶體沒(méi)有周期性,也沒(méi)有限制?!盡ikhail Rybin教授說(shuō),“波可以直接通過(guò)而不會(huì)損失或迅速消失。2017年發(fā)表的一篇論文預(yù)測(cè)了準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)中的光局部化現(xiàn)象,我們必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)?!?/p>
說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難
在研究準(zhǔn)晶體的近40年中,物理學(xué)家已經(jīng)了解了它們的結(jié)構(gòu)并學(xué)會(huì)了在計(jì)算機(jī)上對(duì)其進(jìn)行建模。問(wèn)題在于這種準(zhǔn)晶體在微觀水平上不那么容易合成。
物理與工程學(xué)系的博士生Artem Sinelnik說(shuō):“那是技術(shù)發(fā)展為我們提供幫助的時(shí)候?!?nbsp;“在我們的教職員工中,有一種用于三維納米打印的裝置,其中的體素約為半微米,比人的頭發(fā)小一百倍。在它的幫助下,我們創(chuàng)建了一種準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在三維空間中具有復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)分布?!?/p>
創(chuàng)建樣本后,科學(xué)家們開(kāi)始了他們的初步研究。他們用電子顯微鏡分析了表面質(zhì)量。然后,他們進(jìn)行了光學(xué)測(cè)量,以確認(rèn)樣品的內(nèi)部容量確實(shí)具有準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)。
該論文的共同作者阿特姆·西內(nèi)爾尼克(Artem Sinelnik)解釋說(shuō):“在那之后,我們進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn),將短的光脈沖發(fā)送到準(zhǔn)晶體,并測(cè)量了所謂的余輝。事實(shí)證明,光會(huì)延遲地離開(kāi)我們的樣本,也就是說(shuō),該波在內(nèi)部保持了很長(zhǎng)時(shí)間。因此,我們已經(jīng)證實(shí)了在三維聚合物準(zhǔn)晶體中捕獲光的能力?!?/p>
前景展望
目前,這項(xiàng)工作還僅僅是基礎(chǔ)。它演示了使用三維納米打印創(chuàng)建的聚合物準(zhǔn)晶體的主要光學(xué)特性,以及它們對(duì)光的定位能力。但是,正如作者所指出的,該研究可能會(huì)在將來(lái)應(yīng)用。
“例如,通常根據(jù)一種事實(shí)來(lái)設(shè)計(jì)激光器,即我們擁有一種有源介質(zhì),在該介質(zhì)中,光會(huì)通過(guò)足夠大的外部諧振器進(jìn)行定位,” Mikhail Rybin解釋說(shuō)?!霸谶@項(xiàng)工作中,我們已經(jīng)證明準(zhǔn)晶體可以將活性介質(zhì)和諧振器的功能組合在一個(gè)結(jié)構(gòu)中?!?/p>
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