Резонансной частотой кристалла научились управлять

Для многих современных устройств, особенно для оптических систем связи и вычислительных комплексов, крайне важно иметь возможность управлять излучением, в частности, изменять частоту излучения в заданных пределах.

До сих пор считалось, что резонансная частота для кристаллических твердых тел, как природных, так и искусственных, является величиной, неизменной для данного вещества. Однако за последние годы появилась возможность путем введения в кристалл различных молекул или квантовых точек сдвигать резонансную частоту.

Чунпин Ляо (Chungpin Liao) из Национального университета Тайваня и Сиенмин Чан (Hsien-Ming Chang) разработали модель, позволяющую менять частоту собственного излучения кристаллов в широком диапазоне. Метод основан на введении в кристаллическую решетку определенных атомов. При этом можно заранее точно рассчитать собственную частоту, которая не будет совпадать ни с одной из резонансных частот кристалла.

В своей работе авторы исходили из классической модели Клаузиуса-Мосотти, предложенной более ста лет назад. Согласно этому подходу, свет излучают электрические диполи, состоящие из почти неподвижного ядра и колеблющегося около него облака электронов. Путем комбинации различных диполей можно получить самые разные резонансные частоты. Авторы подчеркивают, что суммарное излучение не имеет физического источника - конкретного диполя.

Затем был применен квантовый подход - моделирование с помощью программы CASTEP (Cambridge Sequential Total Energy Package), позволяющей рассчитать электронные, оптические и структурные свойства материалов без использования каких-либо экспериментальных данных.

Ученые в качестве исходного кристалла взяли решетку, содержащую атомы галлия и сурьмы, а затем осуществили замену четырех атомов галлия и четырех атомов сурьмы на четыре атома бора и четыре атома фосфора, соответственно. В результате полученная кристаллическая решетка излучала свет совсем на другой частоте. Интересно, что квантовомеханическое моделирование свойств кристалла дало такой же результат, какой дает и классического уравнение Клаузиуса-Мосотти.

Ляо и Чан утверждают, что их подход позволит создавать материалы с заданными свойствами, которые будут использованы для получения различных оптических элементов (линз, призм, зеркал) и солнечных панелей нового типа, сообщает PhysOrg.