Ученые Южно-Уральского государственного университета в рамках Проекта 5-100 создали новейшую программу по оптимизации структуры фотонных кристаллов. Программа позволяет решить задачу по оптимальному расположению атомов и ускорить процесс создания «идеального» фотонного кристалла.
Трехмерная периодическая структура с периодом около 3 мкм
Фото с электронного микроскопа НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ
(c) Виктория Матвейчук
Научная группа во главе с профессором кафедры оптоинформатики физического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ Юрием Микляевым занимается исследованиями фотонных кристаллов уже много лет. Фотонные кристаллы способны не только заменить традиционные элементы оптических систем и дорогостоящие редкоземельные металлы, но и стать основой для фотонных интегральных схем – элементов суперкомпьютера будущего, а, следовательно, прорывом в четвертой научно-технической революции. В соавторстве с Денисом Пихулей им была написана программа «Оптимизация структуры фотонных кристаллов методом локализации мод в соответствующей им среде».
«Создание трехмерных фотонных кристаллов можно условно разделить на несколько этапов, — рассказывает Юрий Микляев – На первом этапе работают физики-теоретики и программисты. Их задача придумать такую структуру, которая будет наиболее эффективно выполнять функцию фотонного кристалла, т.е. пропускать или не пропускать свет в определённом направлении. Создается компьютерная программа, которая просчитывает миллионы вариантов. В ЮУрГУ для решения таких сложнейших задач мы используем мощности суперкомпьютера, что позволяет добиться значительных результатов. Итогом такой кропотливой работы стало создание новой программы для решения задачи по оптимальному расположению атомов фотонного кристалла».
В данный момент в Южно-Уральском государственном университете, вузе-участнике программы повышения международной конкурентоспособности ведущих российских вузов, идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, а также практическая реализация теоретически предсказанных в них эффектов.
«Фотонные кристаллы – понятие, которое появилось в науке более 40 лет назад, — поясняет ученый ЮУрГУ. – Теоретически было доказано, что, управляя структурой разных материалов, придавая ей определенную форму, можно добиться уникального управления электромагнитной волной, которая распространяется в этой среде. Простыми словами фотонным кристаллом называется материал, который может управлять электромагнитной волной и привести к образованию некоего фильтра — фотонной запрещённой зоны».
Благодаря своим замечательным свойствам фотонные кристаллы предоставляют качественно новые возможности управления световыми потоками. На основе фотонных кристаллов создаются и разрабатываются оптические фильтры, волноводы (в частности, в волоконно-оптических линиях связи), устройства, позволяющие осуществлять управление тепловым излучением.
С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. Идеология фотонных структур лежит в основе создания беспороговых полупроводниковых лазеров, лазеров на основе редкоземельных ионов. Материалы нового поколения позволят создавать оптические микросхемы по «образу и подобию» элементов полупроводниковой электроники, а принципиально новые способы передачи, хранения и обработки информации, отрабатываемые сегодня на фотонных кристаллах, найдут применение в полупроводниковой электронике будущего.
Многофункциональный микроскоп Olympus,
позволяющий рассматривать трехмерные периодические структуры
(c) Виктория Матвейчук
Программа «Оптимизация структуры фотонных кристаллов методом локализации мод в соответствующей им среде» уже получила свидетельство о регистрации, но ученым предстоит решить еще немало сложных задач. Для разработки высококачественных фотонных кристаллов необходим материал с определённым показателем преломления, в том числе, алмаз и диоксид титана. Изготавливать из них произвольные структуры, особенно трёхмерные, очень сложно, иногда невозможно. Однако учёные ЮУрГУ продолжают искать способы преодолеть препятствия, поставленные природой.
Источник: «Проект 5-100»
