La condensación de polaritones de Bose-Einstein es un campo en crecimiento en la investigación de la óptica de semiconductores, que muestra una coherencia espontánea similar a la de un láser , pero a través de un mecanismo diferente. Una transición continua de condensación de polaritón a láser puede ser similar a la del cruce de un condensado de Bose-Einstein a un estado de BCS en el contexto de los gases de Fermi. [1] [2] La condensación de Polariton a veces se denomina "láser sin inversión".
Descripción general [ editar ]
Las polaritonas son cuasipartículas bosónicas que se pueden considerar como fotones vestidos . En una cavidad óptica , los fotones tienen una masa efectiva, y cuando la resonancia óptica en una cavidad se aproxima en energía a una resonancia electrónica (típicamente un excitón).) En un medio dentro de la cavidad, los fotones interactúan fuertemente y se repelen entre sí. Por lo tanto, actúan como átomos que pueden acercarse al equilibrio debido a sus colisiones entre sí, y pueden sufrir condensación de Bose-Einstein (BEC) a alta densidad o baja temperatura. El condensado de polaritones de Bose emite una luz coherente como un láser. Debido a que el mecanismo para el inicio de la coherencia es la interacción entre los polaritones, y no la ganancia óptica que proviene de la inversión , la densidad del umbral puede ser bastante baja.
Historia [ editar ]
La teoría del polariton BEC fue propuesta por primera vez por Atac Imamoglu [5] y coautores, incluido Yoshihisa Yamamoto . Estos autores afirmaron la observación de este efecto en un artículo posterior, [6] pero finalmente se demostró que este era un láser estándar. [7] [8] En un trabajo posterior en colaboración con el grupo de investigación de Jacqueline Bloch , la estructura se rediseñó para incluir varios pozos cuánticos dentro de la cavidad para evitar la saturación de la resonancia del excitón, y en 2002 se reportó evidencia de condensación no equilibrada [9] ]que incluía correlaciones fotón-fotón consistentes con la coherencia espontánea. Los grupos experimentales posteriores han usado esencialmente el mismo diseño. En 2006, el grupo de Benoit Deveaud y sus coautores informaron la primera afirmación ampliamente aceptada de condensación de polaritones de Bose-Einstein no equilibrada [10] basada en la medición de la distribución de momento de las polaritones. Aunque el sistema no estaba en equilibrio, se vio un pico claro en el estado fundamental del sistema, una predicción canónica de BEC. Ambos experimentos crearon un gas polariton en una expansión libre incontrolada. En 2007, el grupo experimental de David Snoke demostró una condensación de equilibrio de Bose-Einstein de polaritones en una trampa, [11]similar a la forma en que los átomos están confinados en trampas para los experimentos de condensación de Bose-Einstein. La observación de la condensación de polaritón en una trampa fue significativa porque los polaritones se desplazaron del punto de excitación del láser, por lo que el efecto no se pudo atribuir a un simple efecto no lineal de la luz láser. Jaqueline Bloch y colaboradores observaron condensación de polariton en 2009, [12] después de lo cual muchos otros experimentadores reprodujeron el efecto (para las revisiones, consulte la bibliografía). La evidencia de la superfluidez de polaritones fue reportada por Alberto Amo y colaboradores, [13] basándose en la dispersión suprimida de los polaritones durante su movimiento. Este efecto se ha visto más recientemente a temperatura ambiente, [14]que es la primera evidencia de superfluidez atemperatura ambiente , aunque en un sistema altamente no equilibrado.
Equilibrium polariton condensación [ editar ]
La primera demostración clara de la condensación de Bose-Einstein de polaritones en equilibrio [15] fue reportada por una colaboración de David Snoke , Keith Nelson y colaboradores, utilizando estructuras de alta calidad fabricadas por Loren Pfeiffer y Ken West en Princeton. Antes de este resultado, los condensados de polariton se observaban siempre fuera de equilibrio. [16] [17] Todos los estudios anteriores usaron bombeo óptico para crear el condensado. La inyección eléctrica, que permite un láser polariton que podría ser un dispositivo práctico, se demostró en 2013 por dos grupos. [18] [19]
Condensación de no equilibrio [ editar ]
Los condensados de polariton son un ejemplo, y el ejemplo más estudiado, de la condensación de Bose-Einstein de las cuasipartículas. Debido a que la mayor parte del trabajo experimental sobre condensados de polaritones usó estructuras con un tiempo de vida de polaritones muy corto, un gran cuerpo de teoría ha abordado las propiedades de la condensación y superfluidez de no equilibrio. En particular, Jonathan Keeling [20] e Iacopo Carusotto y C. Ciuti [21] han demostrado que aunque un condensado con disipación no es un superfluido "verdadero", todavía tiene una velocidad crítica para el inicio de efectos superfluidos.
El cálculo de las propiedades del vidrio ( modelado de vidrio ) se usa para predecir las propiedades del interés o el comportamiento del vidrio en ciertas condiciones (por ejemplo, durante la producción) sin investigación experimental, con base en datos y experiencias pasadas, con la intención de ahorrar tiempo, material, y financiamiento , y los recursos ambientales, o para obtener una visión científica. Se practicó por primera vez a finales del siglo XIX por A. Winkelmann y O. Schott . La combinación de varios modelos de vidrio junto con otras funciones relevantes se puede utilizar para procedimientos de optimización y seis sigma . En forma de análisis estadístico, el modelado de vidrio puede ayudar con la acreditación. de nuevos datos, procedimientos experimentales e instituciones de medición (laboratorios de vidrio).
Historia [ editar ]
Históricamente, el cálculo de las propiedades del vidrio está directamente relacionado con la fundación de la ciencia del vidrio . A finales del siglo XIX, el físico Ernst Abbe desarrolló ecuaciones que permiten calcular el diseño de microscopios ópticos optimizados en Jena , Alemania , estimulados por la cooperación con el taller óptico de Carl Zeiss . Antes de la época de Ernst Abbe, la construcción de microscopios era principalmente una obra de arte y una artesanía experimentada, lo que daba como resultado microscopios ópticos muy caros con calidad variable. Ahora Ernst Abbe sabía exactamente cómo construir un microscopio excelente, pero desafortunadamente, las lentes requeridasy no existían prismas con relaciones específicas de índice de refracción y dispersión . Ernst Abbe no pudo encontrar respuestas a sus necesidades de los artistas e ingenieros de vidrio; La fabricación de vidrio no estaba basada en la ciencia en este momento. [2]
En 1879, el joven ingeniero de vidrio Otto Schott envió muestras de vidrio de Abbe con una composición especial ( vidrio de silicato de litio ) que él mismo había preparado y que esperaba mostrar propiedades ópticas especiales . Siguiendo las mediciones de Ernst Abbe, las muestras de vidrio de Schott no tenían las propiedades deseadas y tampoco eran tan homogéneas como se deseaba. Sin embargo, Ernst Abbe invitó a Otto Schott a trabajar más en el problema y evaluar sistemáticamente todos los componentes de vidrio posibles. Finalmente, Schott logró producir muestras de vidrio homogéneas, e inventó el vidrio de borosilicato con las propiedades ópticas que Abbe necesitaba. [2] Estas invenciones dieron origen a las conocidas empresas Zeiss.y Schott Glass (ver también Cronología de la tecnología de microscopios ). Nació la investigación sistemática del vidrio. En 1908, Eugene Sullivan fundó la investigación en vidrio también en los Estados Unidos ( Corning , Nueva York ). [3]
Al comienzo de la investigación del vidrio, era muy importante conocer la relación entre la composición del vidrio y sus propiedades. Para este propósito, Otto Schott introdujo el principio de aditividad en varias publicaciones para el cálculo de las propiedades del vidrio. [4] [5] [6] Este principio implica que la relación entre la composición del vidrio y una propiedad específica es lineal a todas las concentraciones de los componentes del vidrio, asumiendo una mezcla ideal , con C i y b ique representan concentraciones específicas de componentes de vidrio y coeficientes relacionados, respectivamente, en la siguiente ecuación. El principio de aditividad es una simplificación y solo es válido dentro de rangos estrechos de composición como se ve en los diagramas mostrados para el índice de refracción y la viscosidad. Sin embargo, la aplicación del principio de aditividad abrió el camino a muchos de los inventos de Schott, incluidos los vidrios ópticos, los vidrios con baja expansión térmica para utensilios de cocina y de laboratorio ( Duran ), y los vidrios con depresión reducida para los termómetros demercurio . Posteriormente, English [7] y Gehlhoff et al. [8]Publicó modelos similares de cálculo de propiedades de vidrio aditivo. El principio de aditividad de Schott todavía se usa ampliamente en la investigación y tecnología del vidrio. [9] [10]
- Principio de la aditividad:
Modelos globales [ editar ]
Schott y muchos científicos e ingenieros aplicaron posteriormente el principio de aditividad a los datos experimentales medidos en su propio laboratorio dentro de rangos de composición suficientemente estrechos ( modelos de vidrio locales ). Esto es más conveniente porque no es necesario considerar los desacuerdos entre los laboratorios y las interacciones de los componentes de vidrio no lineales. En el transcurso de varias décadas de investigación sistemática del vidrio, se estudiaron miles de composiciones de vidrio , que dieron como resultado millones de propiedades de vidrio publicadas, que se recopilaron en bases de datos de vidrio . Este enorme conjunto de datos experimentales no se investigó en su totalidad, hasta Bottinga, [13] Kucuk, [14] Priven, [15] Choudhary, [16]Mazurin, [17] y Fluegel [18] [19] publicaron sus modelos globales de vidrio , utilizando diversos enfoques. A diferencia de los modelos de Schott, los modelos globales consideran muchas fuentes de datos independientes, lo que hace que las estimaciones del modelo sean más confiables. Además, los modelos globales pueden revelar y cuantificar las influencias no aditivas de ciertas combinaciones de componentes de vidrio en las propiedades, como el efecto de álcali mixto como se ve en el diagrama adyacente o la anomalía de boro . Los modelos globales también reflejan desarrollos interesantes de precisión de medición de propiedades de vidrio, por ejemplo, una precisión decreciente de los datos experimentales en la literatura científica moderna para algunas propiedades del vidrio, que se muestra en el diagrama. Se pueden utilizar para la acreditación de nuevos datos, procedimientos experimentales e instituciones de medición (laboratorios de vidrio). En las siguientes secciones (excepto la entalpía de fusión) se presentan técnicas de modelado empírico , que parecen ser una forma exitosa de manejar grandes cantidades de datos experimentales. Los modelos resultantes se aplican en la ingeniería e investigación contemporáneas para el cálculo de las propiedades del vidrio.
Existen modelos de vidrio no empíricos ( deductivos ). [20] Se menudo no crean para obtener predicciones de propiedad vidrio fiables en el primer lugar (excepto entalpía de fusión), pero para establecer relaciones entre varias propiedades (por ejemplo, radio atómico , masa atómica , resistencia química y ángulos de enlace , de valencia química , capacidad de calor ) para obtener una visión científica. En el futuro, la investigación de las relaciones de propiedad en modelos deductivos puede conducir a predicciones confiables para todas las propiedades deseadas, siempre que las relaciones de propiedad se entiendan bien y todos los datos experimentales necesarios estén disponibles.
Métodos [ editar ]
Las propiedades del vidrio y el comportamiento del vidrio durante la producción se pueden calcular a través del análisis estadístico de bases de datos de vidrio como GE-SYSTEM [21] SciGlass [22] e Interglad, [23] algunas veces combinadas con el método de elementos finitos . Para estimar la entalpía de fusión se utilizan bases de datos termodinámicas.
Regresión lineal [ editar ]
Si la propiedad del vidrio deseada no está relacionada con la cristalización (p. Ej., La temperatura del líquido ) o la separación de fase , se puede aplicar una regresión lineal utilizando funciones polinomiales comunes hasta el tercer grado. A continuación se muestra una ecuación de ejemplo de segundo grado. Los valores Cson las concentraciones de los componentes de vidrio como Na 2 O o CaO en porcentaje u otras fracciones, los valores b son coeficientes yn es el número total de componentes de vidrio. El principal componente de vidrio de sílice (SiO 2) se excluye en la siguiente ecuación debido a la parametrización excesiva debido a la restricción de que todos los componentes suman el 100%. Muchos de los términos de la siguiente ecuación se pueden ignorar según el análisis de correlación y significación . Los errores sistemáticos, como los que se ven en la imagen, se cuantifican mediante variables ficticias . Más detalles y ejemplos están disponibles en un tutorial en línea por Fluegel. [24]
Regresión no lineal [ editar ]
La temperatura del líquido se ha modelado mediante regresión no lineal utilizando redes neuronales [26] y funciones de pico desconectadas. [25] El enfoque de las funciones pico desconectadas se basa en la observación de que dentro de un campo de fase cristalina primaria se puede aplicar una regresión lineal [27] y en los puntos eutécticos ocurren cambios repentinos.
Glass entalpía de fusión [ editar ]
La entalpía de fusión del vidrio refleja la cantidad de energía necesaria para convertir la mezcla de materias primas ( lotes ) en un vidrio fundido. Depende de la composición del lote y del vidrio, de la eficiencia del horno y de los sistemas de regeneración de calor, del tiempo de residencia promedio del vidrio en el horno y de muchos otros factores. Un artículo pionero sobre el tema fue escrito por Carl Kröger en 1953. [28]
Método de elementos finitos [ editar ]
Para modelar el flujo de vidrio en un horno de fundición de vidrio, el método de elementos finitos se aplica comercialmente, [29] [30] basado en datos o modelos de viscosidad , densidad , conductividad térmica , capacidad de calor , espectros de absorción y otras propiedades relevantes de vidrio derretido. El método de elementos finitos también se puede aplicar a los procesos de formación de vidrio.
Optimización [ editar ]
A menudo se requiere optimizar varias propiedades del vidrio simultáneamente, incluidos los costos de producción. [21] [31] Esto se puede realizar, por ejemplo, por búsqueda simple , o en una hoja de cálculo de la siguiente manera:
- Listado de las propiedades deseadas;
- Ingreso de modelos para el cálculo confiable de propiedades basadas en la composición del vidrio, incluyendo una fórmula para estimar los costos de producción;
- Cálculo de los cuadrados de las diferencias (errores) entre las propiedades deseadas y calculadas;
- Reducción de la suma de errores cuadrados utilizando la opción Solver [32] en Microsoft Excel con los componentes de vidrio como variables. También se puede utilizar otro software (por ejemplo, Microcal Origin ) para realizar estas optimizaciones .
Es posible ponderar las propiedades deseadas de manera diferente. Se puede encontrar información básica sobre el principio en un artículo de Huff et al. [33] La combinación de varios modelos de vidrio junto con otras funciones tecnológicas y financieras relevantes se puede utilizar en la optimización Six Sigma .
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