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)。”

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。”

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。” “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。”

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>