Кристаллы для фотоники, основные устройства и перспективы применения.

Фотонным кристаллом называется материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях, что приводит к образованию фотонной запрещённой зоны.

Фотонные кристаллы по характеру изменения коэффициента преломления можно разделить на три основных класса:

1. одномерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении. Такие фотонные кристаллы состоят из параллельных друг другу слоев различных материалов с разными коэффициентами преломления и могут проявлять свои свойства в одном пространственном направлении, перпендикулярном слоям.

2. двухмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в двух пространственных направлениях

3. трёхмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в трёх пространственных направлениях. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в трёх пространственных направлениях, и можно их представить как массив объёмных областей (сфер, кубов и т. д.), упорядоченных в трёхмерной кристаллической решётке.

Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить малосигнальную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и беспороговые лазеры;

Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми потерями;

С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны («суперлинзы»);

Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создавать суперпризмы;

Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;

Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение устройств оптической памяти и логических устройств;

Фотонные сверхпроводники проявляют свои сверхпроводящие свойства при определённых температурах и могут быть использованы в качестве полностью оптических датчиков температуры, способных работать с большими частотами[источник не указан 2430 дней] и совмещаться с фотонными изоляторами и полупроводниками.

Билет № 10

Связь массы и энергии. Привести конкретные примеры.

1. Связь между энергией и массой неизбежно следует из закона сохранения энергии и того факта, что масса тела зависит от скорости его движения. Это видно из простого примера. При нагревании газа в сосуде ему сообщается определенная энергия. Скорость хаотического теплового движения молекул зависит от температуры, и увеличивается с нагреванием газа. Увеличение скорости движения молекул согласно формуле означает увеличение массы всех молекул. Следовательно, масса газа в сосуде увеличивается при увеличении его внутренней энергии. Между массой газа и его энергией существует связь.

Формула Эйнштейна. С помощью» теории относительности Эйнштейн установил замечательную по своей простоте и общности формулу связи между энергией и массой: E=mc²

Энергия тела или системы тел равна массе, умноженной на квадрат скорости света.

Если изменяется энергия системы, то изменяется и ее масса.

Так как коэффициент очень мал, то заметные изменения массы возможны лишь при очень больших изменениях энергии. При химических реакциях или при нагревании в обычных условиях изменения энергии настолько малы, что соответствующие изменения масс не удается обнаружить на опыте. Лишь при превращениях атомных ядер и элементарных частиц изменения энергии оказываются настолько большими, что изменение массы уде заметно.

 

Конденсаторы и накопители энергии на их основе.

2. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок (см. рис.). Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами (из-за намотки).

ИОНИСТОР - это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред - электрода и электролита (в двойном электрическом слое). Энергия в ионисторе содержится в виде статического заряда. Накопление совершается, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение). Концепция создания ионисторов появилась недавно, и в настоящее время они заняли свою нишу применения. Ионисторы успешно могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания. Электрохимические конденсаторы (ЭК) – новый класс накопителей энергии, появившийся сравнительно недавно. В ЭК запасается и используется электростатическая энергия, а также энергия электрохимических процессов. Как правило, в качестве электродов в таких устройствах применяются углеродные материалы с большой поверхностью (активированные угли), а в качестве электролитов водные или органические растворы. Основным преимуществом ЭК является то, что они могут очень быстро накапливать и отдавать более высокую энергию, чем традиционные конденсаторы. По сравнению с аккумуляторами ЭК имеют больший ресурс, не требуют технического обслуживания, хорошо работают в условиях экстремальных температур и имеют меньшую цену номинальной мощности. Использование ЭК позволяет решить ряд задач, которые не могут быть решены с помощью традиционных источников тока.

 

Билет 11

Взаимосвязь трехмерного и четырехмерного пространства как пример появления понятия времени.

Современная наука представляет окружающий нас мир в форме трёхмерного пространства-времени (четырёхмерного пространства). Дать определение понятию «время» достаточно сложно, несмотря на очевидность его существования. Термин «стрела времени» характеризует его как ось, направленную из прошлого в будущее. Строго говоря, считать время четвертым измерением пространства нельзя, т.к. по правилам математики оно должно быть одновременно перпендикулярно всем трем имеющимся координатным осям.

Созданием трёхмерного пространства-времени (четырехмерного пространства) мы обязаны Генриху Минковскому. В 1908 году немецкий математик, развивая идеи теории относительности А.Эйнштейна заявил: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен ещё сохранить самостоятельность».

Понятно, что теоретическая физика на тот момент времени оказалась в тупике и дальнейшие пути развития были весьма туманны. Нужно было что-то делать и поэтому за предложенную гипотезу ухватились, как за промежуточный вариант выхода из кризиса. Известная поговорка гласит, что нет ничего более постоянного, чем временные решения. К сожалению, ничего альтернативного предложено не было, и физика пошла по предложенному пути, как по единственно возможному. Признание научным сообществом данной гипотезы вызвало бурное развитие физики — многомерные пространства, кротовые норы, путешествия во времени и т.д. Автор этих строк считает верхом мудрости современной физики следующий научный перл — «семимерная сфера в одиннадцатимерном пространстве»... Возникает вопрос: чего стоят «достижения» современной науки с таким сомнительным фундаментом — теория относительности, квантовая механика (которую не понимают даже её авторы), чёрные дыры, теории Большого Взрыва и расширения Вселенной, супергравитация, теория струн, тёмная материя и тёмная энергия..? Нарастающая в прессе критика существующего положения свидетельствует о том, что возникший более ста лет тому назад кризис в физике так и не был преодолен. Причина одна — безальтернативная гипотеза трёхмерного пространства-времени (четырёхмерного пространства) по-прежнему остается фундаментом здания современной физики.

Общая теория относительности (ОТО), опираясь на принцип эквивалентности сил гравитации и инерции, обобщила понятие четырёхмерного пространства-времени Минковского на случай неинерциальных систем отсчёта и полей тяготения. Метрические свойства пространства-времени в каждой точке под влиянием поля тяготения становятся различными. Влияние гравитационного поля на свойства четырёхмерного пространства-времени описывается метрическим тензором. Относительное замедление времени для двух точек слабого постоянного гравитационного поля равно разности гравитационных потенциалов, делённой на квадрат скорости света (Гравитационное красное смещение). Чем ближе к массивному телу находятся часы, тем медленнее они отсчитывают время, на горизонте событий Шварцшильдовской чёрной дыры, с точки зрения Шварцшильдовского наблюдателя, ход времени полностью останавливается.