液态薄膜元表面的柔性光子晶体

时间:2020-01-03 16:59 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

液态薄膜元表面的柔性光子晶体

光子晶体被预言为21世纪的奇迹之一。在20世纪,对电子能带结构的新理解——决定固体导电或绝缘时间的物理学——彻底改变了世界。同样的物理原理,当应用到光子晶体上时,我们就可以像控制电子那样控制光。如果光子晶体能够实现它们的承诺,那么耗电少、功能更强大的计算机的全光晶体管将成为现实。

但是,这个目标还没有实现。问题在于控制。我们对电子集成电路的制造有着精细的控制,半导体和电子非常灵活——如果你想改变电子的能量,只需施加一个电压。

控制光子晶体的制备比较困难。每一个微小的结构都必须被制造、精确复制和放置。光子晶体一旦形成就不会改变,这使得它非常不灵活。同样地,光子能量不能像电子能量那样被有效地改变。结果是,如果光子晶体是计算的未来,我们将不得不学习如何以一种允许它们在飞行中被修改的方式来制造它们。

作为超表面的波纹流体膜

在一篇新的高级光子学论文中,来自加州大学圣地亚哥分校的Shimon Rubin和Yeshaiahu Fainman展示了如何从一种液体中创造出一种灵活而持久的光子晶体。他们进行了一系列的计算来预测基于液体薄膜中的局部加热的光子晶体的形成和性能。

液体通常不被认为是光子晶体的最佳选择,因为液体没有固定的结构。光子晶体的光学性质取决于光能够反射数百万个精确放置的结构。但是液体会潮起潮落,所以结构会很快被冲走。

然而,Rubin和法曼指出,在液体薄膜和固体或气体的交界面上,液体表面张力和局部温度之间的相互作用可以形成一个小的结构(例如,液体堆积起来形成一个小山丘)。然而,目前还不清楚这些结构是否足够重要,可以作为一种超表面(一种光子晶体)并改变光的传播。

研究人员调查了几种液体薄膜的排列方式,这些液体薄膜很容易让光在液体中被引导(至少是部分地)。为了得到一种结构,研究人员考虑了光吸收是如何加热液体的。利用光波在胶片内部以不同的角度相互交叉,形成一种亮斑和暗斑的图案,这种图案被称为驻波图案。这种液体只吸收亮斑中的能量,因此,这种液体只会在特定的位置升温。

灵活的液体

研究人员利用液体的光学和热特性,结合流体动力学方程和光传播来计算液体吸收的热量,以及如何导致局部变形。研究人员发现,通过跨越两到四道光波,可以得到液体膜中山丘和山谷的周期性排列。两束光波形成了山和谷的线条,三束光波形成了山和谷的六边形排列,而四束光波形成了棋盘状的排列。然后根据这些空间排列计算光学性质。

为了证明他们提出的元表面的有用性,研究人员计算了激光的阈值。如果像染料一样的增益介质加入到液体中,液体的周期性变形会导致谐振器的形成,从而支持激光模式。改变光子液晶的对称性,可以控制激光模式的频率和发射方向。

液体光子晶体似乎有一些非常好的性质。因为光被用来在液体中创造图案,图案自然形成,没有错误。而且,通过改变光波之间的角度,或者用来创建图案的光的波长,图案可以在飞行中改变。即使是移动的模式也可以通过调制其中一种光波来创建。这种固有的灵活性应该能够支持许多有趣的应用程序,例如计算和卫生保健。然而,这种方法的成功将取决于对基本概念的实际演示。

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