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작은 장치의 큰 파도

by 디기릭티틱티 디기릭티틱티 2021. 8. 24.

작은 장치의 큰 파도

콘덴서의 결정체. 구조의 4개 층이 다이아몬드 격자의 한 주기를 형성합니다.

 

반도체의 발전이 전자공학의 혁명을 이끈 것처럼, 10년 된 광결정 분야는 광전자 장치의 혁명을 일으킬 것입니다. 광자 결정 또는 "광자 밴드 갭" 물질은 반도체의 결정 구조와 유사한 유전 상수의 주기적인 변화로 설계되어 물질에 전자기파가 존재할 수 없는 주파수 범위인 광자에 대한 밴드 갭을 생성합니다. . 연구원들은 대부분의 응용 분야가 예상되는 적외선 및 광학 파장에서 사용하기에 충분히 작은 격자 간격을 갖는 결정을 제조하기를 희망하지만 지금까지는 2차원 결정으로만 성공했습니다. 마이크로파 대역에서는 3차원 탁상 크기의 광결정이 주로 구축하기 쉬운 모델에 대한 기본 원리를 테스트하는 데 사용되었습니다.PRL , 팀은 광결정 장치가 작은 장치 크기를 유지하면서 중요한 무선 통신 대역을 포함한 무선 파장에서도 유용할 수 있음을 보여줍니다.

 

광결정은 전파되는 전자기파의 주파수와 방향을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 연구자들은 주로 적외선 및 광학 주파수를 사용하는 통신 및 레이저와 같은 분야에서 수많은 응용 분야를 예상하고 있습니다. 그러나 University of California Los AngelesEli YablonovitchDan Sievenpiper는 더 긴 파장 응용 분야를 위한 광자 밴드 갭 구조를 구축하기 시작했습니다. 그들은 와이어 메쉬 또는 고립된 금속 섬 구조에 대한 광자 밴드 갭의 하한이 인덕턴스 L 및 커패시턴스 C 와 밀접하게 관련되어 있으며 대략적으로 다음과 같이 주어진다는 것을 깨달았습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴. 연구팀은 작은 격자 간격으로 고용량 구조를 만들 수 있다면 크기를 늘리지 않고도 이전 결정보다 훨씬 낮은 주파수로 확장되는 넓은 밴드 갭을 만들 수 있다고 추론했다.

 

에서 PRL논문에서 팀은 13개의 적층 인쇄 회로 기판으로 구성된 상당히 단순한 광자 결정을 설명합니다. 그것은 다이아몬드의 사면체 구조를 가지고 있습니다. 여기서 각 "원자"는 두 개의 금속 스트립으로 구성되며 보드의 반대쪽 표면에 수직 방향으로 배향되고 보드를 관통하는 금속 도금 구멍으로 연결됩니다. 각 스트립은 25마이크로미터의 절연 재료로 분리된 인접 보드의 스트립과 고용량 결합을 가지고 있습니다. 모든 방향으로 구조를 통해 마이크로파를 전송함으로써 그룹은 대략 15~30GHz에 이르는 매우 낮은 주파수 대역 가장자리와 넓은 대역 갭을 가지고 있음을 보여주었습니다. 격자 간격이 약 4mm이지만 하단 대역 가장자리 파장은 약 2cm입니다.

 

Yablonovitch는 그의 연구가 격자 간격이 광자 결정에 사용 가능한 작동 파장을 반드시 결정하는 것은 아니므로 소형 장치가 예를 들어 전송을 개선하기 위해 휴대 전화의 무선 주파수에서 작동할 수 있음을 시사한다고 말했습니다. 그의 수정은 본질적으로 커패시터와 인덕터의 3차원 회로이지만, Yablonovitch는 지난 몇 년 동안의 작업 이전에 유사한 연구를 알지 못했기 때문에 그러한 구조가 새로운 것처럼 보이는 것에 놀랐습니다.

 

향후 10년 동안 미국 핵융합 연구의 주요 센터가 될 12억 달러 규모의 NIF(National Ignition Facility) 건설이 시작되었습니다. 그곳에서의 실험에서 192개의 고강도 레이저 빔이 중수소와 삼중수소로 채워진 BB 크기의 캡슐이 들어 있는 목표물을 잠시 공격할 것입니다. NIF 설계는 ​​가스로 채워진 "홀라움"으로 캡슐을 둘러싸고 있는 작은 금 원통형 껍질로, 레이저로 직접 가열되고 극한의 온도에서 나오는 X선 광선으로 캡슐을 감싸 가열의 균질성을 향상시킬 것입니다. 가스는 금 홀라움 벽의 내부 이동을 감소시키지만 레이저 광을 산란시켜 가열 효율을 감소시킵니다. NIF 설계에 대한 많은 핵융합 연구자들 사이의 이러한 근본적인 우려는 330PRL 에서 한 팀에 의해 해결되었습니다., 이러한 시스템에서 온도 및 레이저 산란에 대한 첫 번째 세부 측정값을 제시하고 산란 문제를 극복하는 레이저 기술을 시연합니다.

 

레이저가 목표물을 공격할 때 캡슐, 가스 및 내부 홀라움 벽은 즉시 전자와 이온의 뜨거운 수프인 플라즈마로 변합니다. 1조 와트 레이저 빔의 핫스팟(불완전함)은 플라스마를 국부적으로 과도하게 여기시켜 레이저 광을 산란시킵니다. Siegfried Glenzer와 그의 동료들은 캘리포니아 리버모어에 있는 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)Nova Laser Facility에서 10개의 레이저 빔 설정을 사용하여 핫스팟의 부작용을 줄이기 위해 두 가지 "레이저 평활화" 방법을 사용했습니다. 첫 번째 방법은 Kinoform 위상판을 사용하여 빔에서 더 큰 규모의 구조를 부드럽게 만드는 것입니다. 샤워 문이 빔을 통해 보이는 시야를 흐리게 하기 때문입니다. 두 번째는 스펙트럼 분산에 의한 평활화(smoothing by spectral dispersion)라고 하며 핫스팟이 빔 내에서 움직이게 하여 플라즈마를 상당히 과도하게 여기시키고 산란 중심을 생성할 만큼 충분히 오래 머물지 않습니다.

 

Livermore 그룹은 또한 레이저에서 표적으로의 효율적인 에너지 전달을 향한 진행 상황을 추적하기 위한 두 가지 중요한 매개변수인 산란된 레이저 광과 holraum 내의 온도를 정확하게 측정하기 위한 검출기 설정을 구성하는 데 몇 년을 보냈습니다. 그들의 PRL 논문은 가스로 채워진 홀라움에 대한 최초의 동시 측정을 나타냅니다. 데이터는 두 가지 레이저 평활화 방법이 산란을 18%에서 3%로 감소시켰고 그에 따라 홀라움 내부 온도를 약 13eV에서 212eV(2.5MK)로 증가시켜 본질적으로 레이저 산란으로 인한 온도 감소를 제거했음을 보여줍니다. 팀은 또한 컴퓨터 시뮬레이션 코드가 가열 프로세스의 여러 측면을 정확하게 모델링하여 향후 NIF 개발 작업에 대한 유용성을 입증했음을 보여주었습니다.

 

NY Rochester에 있는 University of Rochester의 레이저 에너지 연구소 소장인 Robert McCrory에 따르면, 새로운 결과는 NIF를 위한 가스로 채워진 홀라움 설계에 관한 근본적인 질문 중 하나를 해결한다고 합니다. "정말 놀라운 일이 없다면, 정말로 걱정하는 것들이 부족하게 될 것입니다."라고 그는 말합니다.

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