技術や素材の作成は、その不完全さの事実に関連しています。 何らかの方法で欠陥があります。 特定のシステムの動作に大きな影響を与える重要な場合があり、したがって、ファイナライズに多くの時間と労力が必要です。 そして、時には欠陥は我慢できるものである可能性があります。 しかし、そうすべきですか？ 私はそうは思いません。 何かを改善するのは遅すぎることはありません。 これはまさに、今日のヒーローたちが考えていることです-フォトニック結晶を改善することを決めた科学者たち。 本日は、トポロジカル絶縁体、粒子散乱、液晶、光波がどのように組み合わされるかを学習します。 行こう
叙情的（理論的）余談
まず第一に、理論に少し注意を払う必要があります（少しですが、恐れないでください）。
プロローグでは、「フォトニック結晶」について言及しましたが、それは何ですか？ これは非常に珍しい素材であり、その主な特徴は、その構造の屈折率（インデックス）の変化の頻度です。 より深く掘り下げると、この論文は、その特異性により、フォトニック結晶が光子エネルギーの許可されたゾーンと禁止されたゾーンを得ることを可能にするという事実で補足することができます。 これらのゾーンは、半導体のおかげで私たちになじみがあります。半導体は、電荷を運ぶ粒子である電荷キャリアのエネルギーですでに「動作」しています。
フォトニック結晶は、蝶の翼（回折格子）に存在します。
フォトニック結晶の場合、すべてが光の波長に依存します。 禁制帯に対応する波長の光子が結晶に入射した場合、光子は伝播せずに反射されます。 逆に、結晶に入射する光子のエネルギーが許容ゾーンと「等しい」場合、光子は結晶内を伝播します。
フォトニック結晶には、非標準の導電特性があることがわかります。 そして、これにより、トポロジカル絶縁体という別の概念がもたらされます。
このような絶縁体は、サンドイッチのようなものです（誰かが英国主義を好むなら、サンドイッチ）。 つまり、そのような材料の構造の外側は絶縁体であり、内側は導体です。 いわば、古典的なトポロジカル絶縁体では、問題の1つは粒子散乱です。 粒子-移動中にプッシュするのが好きなので、男は機動性があり、少し無傷です。これが初期軌道の変更の理由です。 このようなプロセスは特定の損失を引き起こしますが、これはもちろん悪いことです。
エネルギーの運動量への依存：a-従来の絶縁体、b-トポロジカル。
今日話している科学者は、これらの問題はフォトニック結晶とシリコンフォトニック技術を組み合わせることで解決できると信じています。 なんとなく漠然と、思いませんか？ しかし、科学者たちは、使用することに決めたもの、つまり液晶をすばやく指定します。 しかし、このフレーズはすでにあなたに眉をひそめています。 結晶はどのようにして液体になりますか？ しかし、物理学でよくあることですが、すべてを文字通り100％理解する必要はありません。 液晶は、いくつかの物質が極端な条件下にある状態です。 この場合、これらの物質は、液体と結晶の特性（流動性と異方性）を同時に持つことができます。 人生のある時点で液晶を見たに違いありません（電子時計、液晶テレビ、携帯電話など）。
相の液晶の種類：a-ネマチック、b-スメクチック、c-コレステリック。
液晶が役割を果たすためには、トポロジカルなエッジ状態を制御する必要があります。 これは、液晶の屈折率を操作することで実現できます。
エッジの状態が影響を受ける興味深い作品。
研究の基礎
研究者によって作成された構造は、シリコン電極（柱）で作られたフォトニック結晶であり、導電性電極の間の液晶媒体に浸されています（画像1a ）。
イメージNo. 1
構造は、2つの主要な領域で構成されます。自明なトポロジと非自明なトポロジです。 小さい領域は、それぞれ6列の六角形の格子として表されます。 このような各格子はメタ分子（誇張された、分子の集まり）であり、列間の距離に応じて、ゾーンの自明または非自明なトポロジの特性を持つ場合があります。
フォトニック結晶は液晶媒体に浸されているため、科学者は屈折率を操作できます。 さらに、このパラメータの制御された変化の振幅は非常に大きくなる可能性があります。 上下の構造を「制限」する2つの電極から得られる外部電界により、制御と操作が実現されます。
平均的な液晶の屈折率は1.5であり、複屈折（光線が2つに分割されるとき）は0.2のオーダーです。 この研究では、ネマティックタイプE7の液晶を使用しました。絶対屈折率は1.51で、 異常屈折率*は1.69でした。
異常な屈折率* -光が光軸に対して平行偏光している場合。図1bは、構造に外部電界が作用したときに、シリコンの列に沿って液晶分子が平行に並ぶ様子を示しています（ONモード）。 このような状況では、光はかなり効率的にダイヤモンド型の経路をたどりますが、エッジ状態は体積禁止帯にあります（画像1c ）。
構造の2番目の「モード」はオフです。電界にさらされていない構造の状態です。 この場合、分子はシリコン柱に垂直です（画像1d ）。 したがって、構造のトポロジ特性は変化しませんが、禁止ゾーンの位置は変化します。 光は構造のボリューム全体に広がり始めます。 つまり、光は必要な経路を通過せず、その過程で大きな損失が観察されます。 これを画像1eに示します。
研究者によると、カスタムトポロジカルエッジ状態は、多くの技術の非常に有望な基盤です。 最小限の損失で（理想的にはもちろん損失なしで）与えられた経路に沿って光を伝導する能力を獲得することは、エッジ状態を操作することで実現できます。
検討中の構造では、トポロジカルフォトニック結晶と些細なフォトニック結晶の間にエッジ状態が形成されます。 両方の結晶の格子は、互いに独立して、構造のこれら2つのベースの間の空間で壊れている対称C6のタイプを持っています。 対称性の違反はスピン状態間の縮退の出現につながり、これはそれらが点Γの近くで相互作用することを可能にします。 この相互作用の結果、小さなゾーン（「ギャップ」）が発生します。 しかし、エッジステートにはそのようなゾーンがないわけではありませんが、特定のパスに沿って損失なく光伝送システムを作成できます。
パスに沿った損失は、いくつかの理由で発生する可能性があります。パスの急な曲がり、特に構造または結晶の欠陥です。 したがって、構造は、そのような障害にもかかわらず光が損失なしに進むように機能する必要があります。 まず第一に、与えられた周波数にエッジ状態があることが必要です。
イメージNo. 2
科学者は、リボンフォトニック結晶を分析して、その構造に重要なエッジ状態が存在することを確認することにしました。 分析により、エッジ状態とバルク状態の両方が存在することが示されました。 そしてそれが問題です。 エッジ状態が存在する場合でも、少なくとも1つのバルク状態が存在すると、光の経路に障害があると、光が構造のバルク内で散乱、つまり損失するという事実につながります（画像2）。 結論として、体積状態を取り除く必要があります。
たとえば、Z字型の光路を使用します。 このような経路には、直接的な軌道ではないため、損失が伴います。 そのため、このような異常な経路に沿って損失なく光を導くための2つのオプションがあります。 1つは、フォトニック結晶の構造内の光を「抑制」する金属電極を使用することです。 残念ながら、この方法には欠点もあります。損失はありますが、すでに光周波数のレベルにあります。 2番目のオプションははるかに魅力的です-フォトニック結晶の構造から特定の距離に電極を配置します。 結果として生じる自由空間は、主要構造と比較して著しく低い屈折率を持つ液晶で満たされます。
また、研究者は、望ましいエッジ状態も望ましくない体積状態も生じない限界周波数範囲を発見しました。 これは、C6対称性の違反により生じる可能性のあるエッジ状態の交差を回避したいためです。
屈折率は、構造のバンドギャップのサイズと位置にも影響します。 たとえば、画像2cは、インジケータが1.51の場合、バンドギャップは正規化された周波数範囲0.441〜0.462をカバーすることを示しています。 しかし、1.69のインジケーターでは、範囲が変わります-0.433 ... 0.447（画像2g ）。
イメージNo. 3
さらに分析するために、科学者は頻度0.433を選択することにしました。 画像3a （屈折率1.51）および3d （屈折率1.69）は、そのような周波数での光の進み方を示しています。
屈折率が1.51の場合、必要なエッジ状態は発生しません。そのため、光はいわば焦点を合わせず、構造上で散乱し始めます。 明確にするために、イメージNo. 2、より正確にはdとgに戻りましょう。 正規化された周波数0.433は、フォトニック結晶の自明な領域（赤い曲線）とトポロジカルな領域（緑の曲線）のバンドギャップの下にあります。 屈折率が1.69の場合、周波数0.433は両方の領域の禁止ゾーンにちょうど収まります。
科学者は、異なる屈折率で同時に実験も実施しました。 これは、自明な領域とトポロジカルな領域に対する外部電界の影響を別々に行うことで達成されました。 電極は絶縁体の薄膜で分離されています。 この実験のバンドギャップ分析は、画像2eおよび2fに示されています。 また、菱形欠陥のあるパスに沿った光の伝播を3bおよび3cに示します。 この実験では、光は再び構造体を伝播します。 その結果、構造の両方の領域（トポロジカルおよびトリビアル）が同じ屈折率を持たなければなりません。
研究グループの報告書を通して、研究の詳細、特に計算について知ることができます。
エピローグ
研究者は、構造要素の屈折率を操作することで、光を損失なく複雑な（非線形）パスに沿って伝送できるシステムを作成しました。 同様の結果を得るために必要な条件、すなわち、自明でないトポロジカルエッジ状態の存在とバルク状態の欠如に注意しました。 また、研究者は、些細な領域とトポロジカルな領域との間の屈折率の違いが光の透過に悪影響を及ぼし、光の散乱、ひいては損失につながることにも注目しました。
液晶とシリコンを組み合わせて使用することで、構造の特定の特性を制御、修正、および操作することが可能になり、それによって構造を望ましい結果に調整することができました。
この研究は、データ転送技術とその処理を改善するための不可欠な要素として、液晶の信じられないほどの可能性をもう一度示しています。 この技術は新しいものではありませんが、アプリケーションのバリエーションがすべて発見されているわけではありません。 科学者が見つける方法が多ければ多いほど、技術の開発は容易になります。 また、将来的にオープンパスが使用されない場合でも、他の研究者が自分の道を見つけるきっかけとなる可能性があります。 競争は経済学だけでなく、研究においても有用です。
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