КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 20-79-10316

НазваниеПолимерные квазикристаллы и метаматериалы: аддитивные технологии создания, исследование свойств, управление электромагнитным полем

РуководительСаянский Андрей Дмитриевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2023 - 06.2025

Конкурс Конкурс 2023 года на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (50).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-706 - Радио- и телевизионные системы, радиолокация и связь

Ключевые словафотонные кристаллы, квазикристаллы, аддитивные технологии, 3D печать

Код ГРНТИ47.09.53

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Создание новых искусственных материалов для управления электромагнитным полем является важной задачей современной физики, которая имеет огромное фундаментальное значение, так и широкий прикладной потенциал для самых разных направлений, включая материалы для перспективных мобильных сетей поколения 5G, а также разработку оптических устройств сенсоров, лазеров и многих других. Наиболее важной характеристикой искусственных фотонных структур является наличие запрещенной зоны, т.е. интервала частот в котором отсутствуют электромагнитные состояния, соответствующие распространяющимся волнам. Природа запрещенной зоны связана с брэгговским отражением света, которое имеет сильную спектрально-дирекционную зависимость. Для возникновения полной фотонной запрещенной зоны требуется спектральное перекрытие запрещенных зон, связанных с разными кристаллографическими плоскостями. Этого можно добиться увеличением интенсивности брэгговского рассеяния за счет диэлектрического контраста структуры, а также за счет высокой симметрии фотонного кристалла. На практике оба этих фактора оказываются ограниченными. Технологии изготовления трехмерных структур из материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости оказываются очень сложными и дорогими. Таким образом, проблема создания искусственных материалов, сделанных из доступных низкоиндексных (с низким значением диэлектрической проницаемости) компонент и при этом обладающих полной фотонной запрещенной зоной, является актуальной проблемой современной физики. В рамках завершившегося Проекта 2020 было предложено использовать квазикристаллическую структуру, в которой отсутствует ограничение по элементам симметрии. Идея создания дизайна структуры напоминает идею о записи голографических пластинок несколькими последовательными пучками. Каждый пучок записывает дифракционную решетку или набор кристаллографических плоскостей. Наши структуры получаются при помощи «записи» большого числа кристаллографических плоскостей, нормали к которым распределены заданным образом по полному телесному углу. В результате каждая из кристаллографических плоскостей создает запрещенную зону, спектральное положение которой имеет косинусоидальную угловую зависимость. Поскольку вблизи нуля косинус изменяется медленно, а плотность нормалей к плоскостям высокая, то такие структуры могут формировать требуемое спектрально-угловое распределение фотонных запрещенных зон, включая полную запрещенную зону. Запись большего количества дифракционных решеток в структуре из двух материалов стало возможно только благодаря предложенному методу бинаризации полученных голограмм. Данный Проект 2023 является продолжением успешно завершенного Проекта. В новом проекте поставили перед собой задачи о разработке дизайна и исследовании квазикристаллических структур, сделанных из низкоиндексных полимерных материалов, электромагнитные свойства которых отвечают заданным спектрально-угловых характеристикам. При этом, нас будут интересовать два типа структур. Первый тип структур модифицирует спектрально-угловые характеристики излучателя, помещенного в такую структуру. Второй тип структур обеспечивает рассеяние только для желаемой пары частота-направление падения. Оба типа структур являются новыми и не изученными ранее. Мы будем рассматривать вопросы о дизайне и создании таких структур при помощи доступных методов аддитивной технологии. Мы будем использовать обычный экструзионный 3D принтер. Электромагнитные свойства с созданных полимерных структур будут исследоваться как теоретически, так и экспериментально. Появление новых искусственных материалов, которые можно создать при помощи доступных на сегодняшний день технологий, окажет существенное влияние на развитие технологий управления электромагнитным полем.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается получение следующих результатов: 1) Теория, описывающая направленную локальную плотность состояний в квазикристаллических структурах. 2) Результаты, характеризующие точность разработанной теории. 3) Зависимости величины фазового параметра подрешеток на направленную локальную плотность состояний в квазикристаллических структурах. 4) Образец квазикристаллической структуры, которая позволяет равномерно перераспределить излучение по направлениям и поляризациям. 5) Дизайн трехмерной квазикристаллической структуры, обеспечивающей формирование диаграммы направленности в несколько заданных пространственных направлений. Результаты численного моделирования, подтверждающие соответствующие свойства. 6) Экспериментально измеренные спектрально-угловые и поляризационные характеристики излучения квазикристаллической структуры, позволяющей равномерно перераспределить излучение по направлениям и поляризациям. 7) Дизайн квазикристаллических структур, обеспечивающих спектрально-селективное рассеяние на нескольких парах частот-направлений или вывод о том, что используемый подход не позволяет получить структуры с соответствующими свойствами. 8) Дизайн трехмерной квазикристаллической структуры, обеспечивающей спектрально-селективное рассеяние электромагнитных волн в образец. Результаты численного моделирования, подтверждающие соответствующие свойства. 9) Образец квазикристаллической структуры для измерений в стенде на основе плоскопараллельного волновода, обеспечивающей спектрально-селективное рассеяние электромагнитных волн в образец. 10) Экспериментально измеренные спектрально-угловые характеристики рассеяния квазикристаллической структуры, обеспечивающей спектрально-селективное рассеяние электромагнитных волн в образец, выполненные на измерительном стенде на основе плоскопараллельного волновода. 11) Образец квазикристаллической структуры, обеспечивающей спектрально-селективное рассеяние электромагнитных волн в образец. Образец предназначен для измерений в свободном пространстве (волны могут распространяться в трех пространственных направлениях). 12) Экспериментально измеренные спектрально-угловые характеристики излучения квазикристаллической структуры, обеспечивающей спектрально-селективное рассеяние электромагнитных волн в образец. Перечисленные результаты будут получены впервые, не будут иметь аналогов в мировой науке и позволят внести существенный вклад в развитие концепции фотонных кристаллов с заранее определёнными свойствами. Методы разработки и изготовления сред с изначально заданными свойствами в СВЧ-диапазоне в совокупности с недорогим и доступным способом их изготовления позволят внести существенный вклад в развитие антенн и других средств организации передачи данных в СВЧ-диапазоне, в том числе в сетях 5G. Результаты настоящего проекта будут интересны широкому кругу потребителей, включающему организации-производители радиочастотных устройств и антенн, а также организация-разработчикам комплексных решений в области построения сетей передачи данных, работающих в СВЧ-диапазоне.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---