Siūlomas bangų diodo modelis • Jurijus Yerinas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Fizika

Modelis pasiūlytas diodas bangoms

Pav. 1. Apskaičiuotos sluoksniuotos atskirtos sistemos schema. Centriniai sluoksniai, rodomi raudonais atspalviais, yra nelinijiniai. Atspalviai atspindi savybių skirtumą. Netiesinių sluoksnių skaičius gali būti pasirinktas savavališkai, tačiau autoriai, atlikdami tolesnius skaičiavimus, apsiribojo dviem (N = 2). Graikijos raidėψ reiškia funkciją, per kurią galima nustatyti bangos intensyvumą tam tikrame sluoksnyjeN. Ši funkcija nustatoma sprendžiant diskrečiosios netiesinės lygtys Шредингера. Išsami informacija pateikiama tekste. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett.

Italijos teoriniai fizikai apskaičiavo struktūros parametrus, kurie vėliau gali būti naudojami bangos diodui sukurti – prietaisui, kuris leidžia laisvai praeiti elektromagnetines ar akustines bangas vienoje kryptimi ir visiškai blokuoja juos, kai jie judamos į priešingą pusę. Skirtingai nuo ankstesnių šio prietaiso ir jo įvairių eksperimentinių įdiegimų teorinių modelių, siūlomas bangų diodas nekeičia per jį bangos dažnio.

Diodas yra įtaisas, kuris praeina elektros srovę vienoje kryptimi ir neleidžia jam tekėti priešinga kryptimi.Kartu su tranzistorius – kiti netiesinės prietaisai, leidžiantys kontroliuoti elektrinį laidumą – tai šiuolaikinių elektronikos pagrindu. Tai nėra sunku suprasti, kad panašūs įrenginiai šiluminių ir bangų procesų, pavyzdžiui, šviesos ar garso sklidimo, gali būti naudojamas šilumos ir garso izoliacija, šviesos perdavimo kryptimi, akustinių impulsų, ir pan. N.

Termo diodo, galinčio asimetriškai paskirstyti šilumą tarp dviejų šaltinių, sąvoka pirmą kartą buvo pradėta 2002 m. Po kurio laiko 2006 m. Pabaigoje pasirodė straipsnis MokslasKurią ji pranešė apie tokio prietaiso remiantis anglies nanovamzdelių ir cilindrinių struktūrų, pavyzdžiui, boro nitrido įsteigimo. Tai teisinga sakyti, kad šis šilumos diodas dirbo tik ant mikroskopinio masto, tačiau faktas, kad per palyginti trumpą laiką teoriniai tyrimai tapo realybe, žinoma, gali būti laikoma reikšminga pažanga šia kryptimi.

Kalbant apie elektromagnetinių arba akustinių bangų diodą, nepaisant daugybės teorinių ir eksperimentinių publikacijų,"Tiesa" bangų diodas, kuris nepakeistų per jį bangos charakteristikų (visų pirma tai dažnių klausimas) dar nebuvo sukurtas. Fizikos įstatymai (tiksliau sakant, abipusiškumo teorema) draudžia bangas ar, kaip sakoma, bangų paketą, asimetriškai paplitę įprastose medžiagose, "pasirinkdami" tam tikrą judėjimo kryptį. Todėl akivaizdu, kad bangų diodo pagrindas turėtų būti cheminė medžiaga, vadinama nelinijine savybėmis, kurioje pažeidžiama abipusiškumo teorema. Atkreipkite dėmesį, kad medžiagos "netiesiškumas" reiškia, pavyzdžiui, jo lūžio rodiklio priklausomybę nuo šviesos intensyvumo, jei mes kalbame apie prietaisą šviesos bangoms (linijinėse medžiagose, lūžio rodiklis nepriklauso nuo šios charakteristikos).

Tačiau iki šiol neaišku, kaip ir kokiu įstatymu šios nelinijinės cheminės savybės turi priklausyti nuo jame bangos parametrų, kad ši medžiaga idealiai leistų bangų paketui visiškai laisvai judėti vienoje kryptimi ir visiškai užblokuoti, kai jis juda priešinga kryptimi. pusė.

Atrodo, kad dabar ši problema turi savo sprendimą.Fiziologai iš Italijos paskelbė žurnale Fizinės peržiūros raidės teorinis asimetrinio bangavimo paplitimo darbas netiesinėse sistemose, kuriame jie galėjo nustatyti medžiagos, tinkamos bangų diodui pastatyti, charakteristikos.

Straipsnio pradžioje autoriai daro išlygą, kad dėl jos sluoksniuotos struktūros yra pasiekiamas reikalingas medžiagos optinių ir (arba) akustinių savybių netiesiškumas. Kitaip tariant, kiekvienas medžiagos sluoksnis turi savo ypatybes (pavyzdžiui, optinio diapazono elektromagnetinės bangos atveju, jo priklausomybė nuo lūžio rodiklio intensyvumo). Tai taip pat galima pasakyti: mokslininkai laikė nelinijinę terpę, kurios savybės keičiasi ne nuolatiniu, nuolatiniu būdu, bet kaip trapūs, diskretiškai, kai pereina iš vieno sluoksnio į kitą.

Jei cheminė medžiaga reaguoja netiesiškai į bangų paketą, tada reikia ištirti bangų sklidimą jame naudojant tinkamus įrankius – netiesinę lygtį Šriodingerio (negalima supainioti su paprastesniu "santykiniu" – linijine Schrödingerio lygtimi iš kvantinės mechanikos). Tačiau kadangi straipsnio autoriai pasirinko tiriamo modelio medžiagą su sluoksniuotąja struktūra, tuo tikslesniu bangos sklidimo tokioje sistemoje aprašymu būtų vadinamoji diskretiškas netiesinė lygtis Шредингера. Kodėl diskretiškas? Aukščiau minėta, kad sluoksnių terpės parametrai skiriasi šuoliais, ty vienas sluoksnis turi tam tikrų charakteristikų, antras – kitas. Tai reiškia, kad medžiagos parametrai keičiasi diskretiškai.

Mokslininkai pristatė schemą nagrinėjamos struktūros figūrą (žr. 1 pav.). Jų pusėse yra sluoksniai su linijinėmis charakteristikomis. Tačiau centre yra pagrindinė šio modelio detalė – minėtos nelinijinės medžiagos sluoksnis. Savo ypatybes specialiai padarė straipsnio autoriai asimetriškai pagal struktūros centrą. Norint įtikinti, mokslininkai parodė savo raudonus atspalvius. Toks asimetrija yra reikalinga norint, kad sistema skirtingai reaguotų (praeiti ar ne) į bangą, einančią per ją. Būtent šie asimetriniai regionai sudaro bangų diodą.

Nuo to laiko teoretikų užduotis buvo pasirinkti tokius diskrečiosios netiesinės lygties Schrödingerio koeficientus, kad bangos, apibūdintos šia lygtimi, būtų laisvai plinta be minimalių nuostolių, tarkim, iš kairės į dešinę ir negalėjo pereiti per šią struktūrą, kai ji judėjo priešinga kryptimi.Atkreipkite dėmesį, kad koeficientų atranka reiškia tiesiog ieškoti norimų savybių netiesinės terpės.

Analizuojant (ty formules) atskiro netiesinio lygtys Schrödingerio sprendimas yra labai sudėtinga užduotis matematiniu požiūriu, taigi mokslininkai pasinaudojo skaitiniu balu. Siekiant dar labiau supaprastinti problemą, buvo nuspręsta apriboti dimerio parametrų parinkimą, ty dviejų sluoksnių nelinijinės medžiagos (N = 2, žr. Fig. 1). Kaip paaiškėjo, tai yra pakankamai didelė bangos diodo realizacija.

"Žaidžiant" su dimerio parametrais (koeficientai Schrödingerio lygtyje), mokslininkai vis dar nustatė savo optimalų rinkinį, kuris tenkina problemos sąlygas. Kad iliustruotų jų skaitinius skaičiavimus, mokslininkai pradėjo į struktūrą, parodytą fig. 1, monochromatinė banga, kurios pradinis intensyvumas užima pagal normalią (gauso) paskirstymą: didžiausią vertę jos viduryje ir eksponencišką nulį iki nulio į kraštus. Fig. 2 rodo bangos, kuri juda iš kairės į dešinę (viršutinė kairioji figūra), ir iš dešinės į kairę (viršutinė dešinoji dalis) intensyvumo raida.Galima suprasti, kad diodas (dimeris) leidžia saugiai perduoti bangą, kai ji juda į dešinę pusę ir neleidžia jam pradurti plisti į kairę konstrukcijos pusę. Kiekybiškai tai atrodo taip: perdavimo koeficientas (nukrypstančios bangos intensyvumo santykis su diodu perduodamam intensyvumui) bangos, judančios teisinga kryptimi, yra maždaug 0,8 (80%), priešinga kryptimi – 0,3 (30%).

Svarbu pažymėti, kad, nepaisant visų trikdančių procesų (išsiskleidimo ir atspindžio), kad diodas patiria bangą, jos dažnis (monochromatinis) vis tiek išlieka ir negauna trečiųjų šalių nereikalingų papildomų harmonikų (dažnių). Norėdami įrodyti šį faktą, straipsnio autoriai pateikia spektrinę bangos analizę, kol ji patenka į prietaisą ir iš jos išeina (2 pav., Apatiniai grafikai). Tariamieji smailiai rodo, kad bangos, praeinančios per diodą, lieka monochromatinės.

Pav. 2 Gausos monochromatinės bangos sklidimo bangos diodu skaitinių modeliavimo rezultatai. Viršutinėse figūrose Parodyta evoliucija (y ašis – laikas t, išmatuotas santykiniais vienetais), bangų paketo intensyvumas iš kairės į dešinę (kairė figūra) ir iš dešinės į kairę (teisingas piešimas) per 800 sluoksnių medžiagos sistemą (numeruota abscisas skaičiai n nuo -400 iki +400), iš kurių du yra viduryje, turi nelinijines savybes ir sudaro bangos diodą. Intensyvumo skalė parodyta dešinėje: kuo šviesesnė sritis, tuo didesnė bangos intensyvumas. Apatiniame grafike Bangos paketo spektrinė analizė (galios spektras), beveik visiškai praeinanti per diodą (kairė figūra) ir beveik visiškai atsispindi jiems (teisingas piešimas) Išreikšta smailės buvimas rodo, kad bangos, įeinančios į diodą, dažnis nesikeičia. Abscisos ašis Grafikose rodomas bangos skaičius k, atvirkščiai proporcingas bangos ilgiui. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett.

Apibendrinant, mes pastebime, kad popieriuje sukurtas dizainas nėra, kaip gali atrodyti iš pirmo žvilgsnio, kita teoristų fikcija. Jo taikymas šviesos bangoms gali būti visiškai suprantamas naudojant fotoninius kristalus – dirbtines medžiagas su optiniais parametrais, periodiškai keičiančiais bangos ilgio skalę. Jei manome, kad straipsnio autoriai apskaičiavo ir suteikė bangavimo diodui gaminti reikalingos medžiagos savybes, tai yra įmanoma,kad jo praktinis įgyvendinimas, kaip antai termodiodo istorijoje, gali atsirasti netolimoje ateityje.

Šaltinis: Stefano Lepri, Giulio Casati. Asimetrinio bangų dauginimas netiesinėse sistemose // Fiz. Rev. Lett. 106, 164101 (2011).

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: