Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л. В. Киренского КНЦ СО РАН исследовали оптические фотонные структуры с рассеивающей средой, состоящей из нематических (оптически одноосных) жидких кристаллов. Предполагается, что полученные результаты могут использоваться для анализа сложных структур и процессов, протекающих в упорядоченных системах и, возможно, использоваться для создания биологических датчиков.

 

В ходе эксперимента были изучены особые «абнормальные» роллы – сложные периодические структуры, возникающие в нематиках под действием электроконвективного спиралевидного потока жидкости. 

«Мы изучаем структуры, похожие на цилиндры (роллы) – по форме они напоминают всем известное блюдо японской кухни. Нам удалось отследить образование таких роллов и их поведение в нематических жидких кристаллах. Известно, что в постепенно нагреваемой жидкости (например, в воде) возникает движение вещества – теплая жидкость поднимается вверх по одному каналу, холодная опускается вниз по другому. В результате формируется замкнутый цикл. В нематических жидких кристаллах есть заданная ось симметрии, и любое движение в них осуществляется по траекториям, определяемым этой осью.

Так появляются интересующие нас роллы. Они могут быть относительно простыми, и тогда происходит банальное движение вокруг оси симметрии, что приводит к формированию вытянутых вдоль этой оси роллов. Но иногда образуются сложные спиралевидные потоки, приводящие к появлению так называемых абнормальных (проще говоря, ненормальных) роллов.

Теперь представьте, что эту, и без того сложную, среду мы поместили в оптический резонатор – конструкцию из двух параллельных зеркал, между которыми можно «накапливать» свет», – рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры общей физики СФУ, старший научный сотрудник Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН Михаил Крахалёв.

Ученый уверяет: в нематических кристаллах можно обнаружить множество разнообразных форм роллов, и интерес они представляют не только для специалистов, изучающих фундаментальные законы гидродинамики или оптики. Абнормальные роллы – самые любопытные: внешне они очень похожи на «нормальных» собратьев своей формой, но существенно отличаются от них внутренним строением. Это делает их интересным объектом в качестве модели рассеивающей среды со сложной закрученной структурой.

«Как двигатель автомобиля предпочитает работать на «чистом» бензине, так обычные оптические резонаторы любят «спокойные» нематические жидкие кристаллы, однородно ориентированные и почти не рассеивающие свет. Мы же показали, что даже если поместить в резонатор «шумную» с точки зрения оптики среду, состоящую из абнормальных роллов, можно вполне успешно регистрировать параметры и характеристики, которые обнаруживаются для классических систем со «спокойными» нематиками.

Более того, благодаря наличию резонатора такая система оказывается чувствительна как к самому факту наличия электроконвективных процессов, так и к их структуре. Например, можно не только легко отличить нормальные роллы от абнормальных, но и измерив оптические характеристики такой системы определить параметры, связанные со структурой (строением) роллов», – отметил Михаил Крахалёв.

Но зачем идти сложным, на первый взгляд, путем, если можно выбрать привычный «наполнитель» для резонатора? Ответ кроется в сущности большинства биологических жидкостей растений, животных и человека – они содержат рассеивающие или поглощающие свет элементы (клетки, белки и прочее). И анализ таких жидкостей, например методом измерения интенсивности рассеянного света, позволяет определить концентрацию и размер рассеивающих частичек, но не позволяет сделать вывод о присущей им структуре. Развитие подходов, позволяющих определять больше параметров сложных систем, может расширить возможности для их исследования и анализа.

«Мы призываем к осторожности в прогнозах. Все же, на сегодняшний день резонаторы с «шумной» рассеивающей средой (как абнормальные роллы в нематиках) изучены недостаточно, как и способы практического применения. Но судя по нашим экспериментам, такая оптическая система действительно является интересной с точки зрения анализа сложных систем, что в дальнейшем может привести к созданию датчиков (детекторов), в том числе для биологических систем», – резюмировал исследователь. 

Optical modes of multilayered photonic structure containing nematic layer with abnormal electroconvective rolls / Vladimir A.Gunyakov, Mikhail N.Krakhalev, Ivan V.Timofeev, Victor Ya.Zyryanov, Vasily F.Shabanov // Optical Materials. 2020. Vol. 100. 109630.

Похожие новости

  • 14/05/2018

    Сибирские ученые опробовали новый метод исследования полупроводниковых наночастиц

    ​Сотрудники Сибирского федерального университета и Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН применили новый метод для изучения наночастиц из кадмия и теллура. Они воспользовались особенностью данного соединения, взаимодействие которого со светом меняется в зависимости от магнитного поля.
    1106
  • 24/06/2019

    В Сибири работают над электроникой будущего

    ​Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН создали самоорганизующийся шаблон из кремнезёма для прозрачных электродов на гибкой подложке, эффективный при разработке современных гибких дисплеев и светодиодов.
    726
  • 20/12/2019

    Когда наука несет свет: ученые предложили производить светодиоды без редкоземельных металлов

     Международная группа учёных синтезировала и изучила соединение, которое поможет значительно удешевить производство светодиодов для получения белого света, имитирующего солнечный. Такие диоды широко применяются в освещении жилых и производственных помещений, для наружной рекламы и выращивания растений предприятиями агропромышленного комплекса.
    700
  • 19/09/2017

    Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

    ​Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет.
    1457
  • 23/09/2019

    Учёные изучили неожиданные свойства разупорядоченных нанорешёток

    Учёные Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск), Института физики им.
    608
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    1519
  • 03/11/2018

    Красноярские ученые разработали новый тип управляемых дифракционных решеток

    ​Дифракционные решетки играют центральную роль в интегральной оптике, голографии, оптической обработке данных. Ученые Института физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (ИФ СО РАН) и Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета (СФУ) разработали новый способ создания управляемой дифракционной решетки - оптической системы, действие которой основано на явлении световой дифракции (огибания препятствия светом), сообщила пресс-служба СФУ.
    1114
  • 21/04/2017

    Красноярские физики получили нанодисперсные порошки для создания аккумуляторов водорода

    Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления аккумуляторов водорода для автомобильного транспорта.
    2146
  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    1559
  • 09/12/2019

    Члену-корреспонденту РАН Валерию Миронову - 80 лет

    ​8 декабря свой юбилей отмечает член-корреспондент РАН, профессор, доктор физико-математических наук Валерий Леонидович Миронов. С 1986 г. по 1997 г. он работал на посту ректора Алтайского государственного университета.
    502