По мере развития технологий фотонные системы всё больше вытесняют традиционную электронику, используя свет для более эффективной передачи и обработки информации. Одной из таких оптических систем является сканирование лазерным лучом (СЛЛ), где лазерные лучи быстро направляют для сканирования, восприятия или отображения информации.
Эта технология используется в различных приложениях: от сканеров штрих-кодов в продуктовых магазинах до лазерных проекторов на световых шоу. Для обработки более широкого спектра сигналов или обеспечения полноцветного вывода в этих системах используются мультиплексоры, которые объединяют красные, зелёные и синие (RGB) лазерные лучи в один.
Традиционно это достигалось путём прямой модуляции каждого лазера, включая их и выключая для управления выходным сигналом. Однако такой подход относительно медленный и энергозатратный. В недавнем исследовании, проведённом учёными из корпорации TDK (Япония), сообщается о разработке более быстрого и энергоэффективного RGB-мультиплексора на основе тонкоплёночного ниобата лития (TFLN).
Работа опубликована в журнале Advanced Photonics Nexus. Ниобат лития — универсальный материал, широко используемый в фотонике благодаря своим превосходным электрооптическим, нелинейно-оптическим и акустооптическим свойствам. TFLN широко используется в инфракрасных оптических модуляторах и всё чаще ценится за способность направлять видимый свет.
В отличие от традиционных систем, подход на основе TFLN использует электрические поля для управления распространением и объединением света, что обеспечивает более высокие скорости модуляции и меньшее энергопотребление.
Гибридные кристально-стеклянные материалы из метеоритов преобразуют управление теплом
Кристаллы и стёкла имеют противоположные свойства теплопроводности, которые играют ключевую роль в различных технологиях. Они варьируются от миниатюризации и эффективности электронных устройств до систем рекуперации отработанного тепла, а также срока службы тепловых экранов для аэрокосмической техники.
Проблема оптимизации производительности и долговечности материалов, используемых в этих различных приложениях, сводится к фундаментальному пониманию того, как их химический состав и атомная структура (например, кристаллическая, стеклянная, наноструктурированная) определяют их способность проводить тепло.
Микеле Симончелли, доцент кафедры прикладной физики и прикладной математики в Колумбийском инженерном колледже, решает эту проблему с первых принципов, начиная с фундаментальных уравнений квантовой механики и используя методы машинного обучения для их решения с количественной точностью.
В исследовании, опубликованном 11 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences, Симончелли и его коллеги, Никола Марцари из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне и Франческо Маури из Университета Сапиенца в Риме, предсказали существование материала с гибридными кристально-стеклянными тепловыми свойствами. Команда экспериментаторов под руководством Этьена Балана, Даниэле Фурнье и Массимилиано Маранголо из Университета Сорбонны в Париже подтвердила это измерениями.
Первый в своём роде материал был обнаружен в метеоритах и также был идентифицирован на Марсе. Фундаментальная физика, лежащая в основе этого поведения, может продвинуть наше понимание и разработку материалов, которые управляют теплом при экстремальных температурных разницах, а также, в более широком смысле, дать представление о тепловой истории планет.
Теплопроводность зависит от того, является ли материал кристаллическим, с упорядоченной решёткой атомов, или стеклянным, с неупорядоченной аморфной структурой, что влияет на то, как тепло распространяется на квантовом уровне. В целом, теплопроводность в кристаллах обычно уменьшается с повышением температуры, в то время как в стёклах она увеличивается при нагревании.
В 2019 году Симончелли, Никола Марцари и Франческо Маури вывели единое уравнение, которое отражает противоположные тенденции теплопроводности, наблюдаемые в кристаллах и стёклах, и, что наиболее важно, также описывает промежуточное поведение дефектных или частично неупорядоченных материалов, таких как те, которые используются в термоэлектрике для рекуперации отработанного тепла, перовскитных солнечных элементах и тепловых барьерных покрытиях для тепловых щитов.