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光子人工微结构材料中的若干类量子现象.pdf

光子人工微结构材料中的若干类量子现象.pdf

上传者: 133*****842@sina.cn 2013-07-26 评分 4.5 0 53 7 243 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《光子人工微结构材料中的若干类量子现象pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn光子人工微结构材料中的若干类量子现象*孙暋勇暋暋谭暋为暋暋陈暋鸿昄(同符等。

暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn光子人工微结构材料中的若干类量子现象*孙暋勇暋暋谭暋为暋暋陈暋鸿昄(同济大学物理系暋上海暋)摘暋要暋暋类量子现象又称为量子现象的经典对应(quantum灢classicalanalogies),它是利用经典波动行为与量子波动行为的相似性来模拟和研究量子现象近年来,光子人工微结构材料中类量子现象研究很活跃,文章对这方面的有关研究进展做了简要介绍内容主要包括光子晶体和超构材料(metamaterials)中的类凝聚态系统量子现象和类原子系统量子现象,如类石墨烯量子现象、类拓扑绝缘体量子现象、类量子动力学现象、类Rabi振荡现象、类电磁感应透明现象、类Fano共振现象等关键词暋暋光子人工微结构,光子晶体,超构材料,量子现象的经典对应Quantum灢classicalanalogiesinengineeredphotonicstructuresSUN暋Yong暋暋TAN暋Wei暋暋CHEN暋Hong昄(DepartmentofPhysics,TongjiUniversity,Shanghai,China)Abstract暋暋Thestudyofquantum灢classicalanalogiesaimstomimicquantumeffectsinclassicalsystemsbasedonthesimilarphysicsbetweenclassicalandquantumwavesRecently,avarietyofexperimentalandtheoreticalworkhasrevealedvariousquantum灢classicalanalogiesinengineeredphotonicstructuresThepurposeofthisreviewistogiveabriefintroductiontothosequantum灢likephenomenainphotoniccrystalsandmetamaterialswhichcloselyresemblethebehaviorincondensedmatterandatomicsystemsTheseinclude,forexample,thenoveltransmissioningrapheneandtopologicalinsulators,quantumdynamics,Rabioscillation,electromagneticallyinducedtransparency,andFanoresonanceKeywords暋暋engineeredphotonicstructures,photoniccrystals,metamaterials,quantum灢classicalanalogies*暋国家自然科学重点基金(批准号:)、国家重点基础研究发展计划(批准号:CB)资助项目上海市科委重大基础研究项目(批准号:dj)收到昄暋通讯联系人Email:hongchentongjieducn暋引言近年来,光子人工微结构材料(engineeredpho灢tonicstructures,以下简称EPSs)新奇光调控效应在学术、工业和国防等各个领域引起了广泛的兴趣EPSs主要包括两大类:光子晶体(photoniccrys灢tals)和亚波长金属微结构材料光子晶体是由两种或多种光学材料组成的人工周期性结构,其特征是周期结构尺度可与调控光子的波长相比拟,具有类似半导体电子能带结构的光子能带自年EYablonovitch和SJohn提出“光子晶体暠概念,以来,人们对光子晶体开展了大量的研究工作,发明了光子晶体光纤等新型器件与光子晶体不同,亚波长金属微结构材料是利用金属或金属介电微结构来调控光子的行为,其特征是微结构单元的尺度远小于调控光子的波长根据调控方式的不同,可进一步分成以下两种:一种是超构材料(metamateri灢als,又称美特材料、超材料、特异材料)超构材料利用亚波长金属微结构来形成特殊电磁共振单元,从而可以任意调节材料的有效介电系数毰和有效磁导率毺其中最典型的是左手材料(又称负折射率材料,毰,毺<,n=毰毺<)超构材料具有丰富而又奇特的光调控能力,包括左手材料的负折射效应、平面亚波长超级成像,梯度超构材料的奇异隐身作用(invisiblecloak)等另外一种亚波长金属微结构材料被称为“表面等离激元(surfaceplasmon超构材料的研究和应用专题http:飋飋wwwwuliaccn暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理卷(年)期polaritons)暠,它主要是利用金属微结构的表面电磁特性来调控光子的行为基于表面等离激元,人们可以制备尺寸小于衍射极限(二分之一波长)的光子通道和元件总之,EPSs拥有许多奇特的光调控效应,是目前光物理、凝聚态物理、材料物理等多学科交叉的前沿领域除了EPSs对光子的奇异调控行为外,目前利用EPSs作为一个特殊平台来研究类量子现象正引起人们的极大兴趣类量子现象又称为量子现象的经典对应(quantum灢classicalanalogies)一个微观粒子或微观系统的量子特性表现在两个方面:一是由薛定谔方程所描述的波动行为如量子相干特性,另一方面是全同粒子的统计行为如费米子、玻色子EPSs中的类量子现象主要涉及到波动行为所导致的量子相干特性,即利用不同的EPSs对光子的特殊调控作用来模拟、演示,从而来研究原子、分子凝聚态、物质波等物理系统中的量子相干特性下面以若干凝聚态系统中的新奇量子现象和原子系统学中量子光学现象为典型例子,来介绍EPSs中特别是光子晶体和超构材料中类量子现象的研究进展及其意义暋EPSs与凝聚态系统中的若干量子现象暋EPSs与石墨烯量子现象石墨烯(Graphene),即蜂窝状有序排列的平面单层碳原子结构,因其众多新奇的性质,已经成为目前凝聚态物理最受关注的研究对象之一石墨烯的特性之一是电子的能带存在狄拉克(Dirac)点,在该点附近电子的行为可用无质量的费米子描述狄拉克能谱会带来许多新奇的电子输运行为,如与势垒高度无关的克莱因(Klein)隧穿现象和狄拉克点附近的赝扩散输运行为(pseudo灢diffusivetrans灢port)但在石墨烯中,电子间的相互作用、材料结构的缺陷与无序会给这些新奇现象的研究带来复杂的、难以控制的影响因素上述新奇现象来源于狄拉克能谱的特殊量子相干特性,而与粒子的统计行为无关,因此EPSs将为研究与石墨烯中电子输运行为相关的量子现象提供一个全新的平台与电子石墨烯比较,基于EPSs的光子石墨烯表现出的优点为:()光子之间不存在相互作用,避免了多体效应带来的复杂影响()光子石墨烯是一种人工微结构材料,其中缺陷与结构无序是一类完全可控的调节参量,这为相关研究带来更大的参量空间典型的光子石墨烯材料如图(a)所示,其本质是一种二维光子晶体EPSs,拥有和石墨烯相同的晶格结构类石墨烯EPSs的光子能带结构类似于石墨烯电子能带,存在光子狄拉克点,如图(b)所示理论研究表明,光子石墨烯可以模拟许多电子石墨烯的新奇现象,如赝扩散输运、克莱因隧穿,、分束与准直现象、Berry相位,等有的理论预测已得到实验证实,如赝扩散输运行为图暋(a)典型的光子石墨烯EPSs结构(b)典型的光子石墨烯能带结构暋EPSs与拓扑绝缘体量子现象拓扑绝缘体是凝聚态物理领域人们十分关注的另一类材料,它的典型特征是材料内部的元激发存在能隙,但在材料边界上具有受拓扑保护的无能隙边缘激发态EPSs同样可以用来研究拓扑绝缘体的某些新奇量子现象,边缘态就是一个典型的例子理论研究结果表明,光子晶体中通过引入磁光材料来诱导时间反演对称性破缺,可以形成光子拓扑绝缘体,与电子拓扑绝缘体类似,光子拓扑绝缘体同样存在单一方向传输的边缘态相关的理论研究工作目前已从光子晶体推广到亚波长金属微结构如等离激元晶体最新的理论研究结果表明,某些特殊设计的一维等离激元晶体也会呈现类似石墨烯的行为光子拓扑绝缘体的边缘态已在二维磁性光子晶体中得到实验证实,如图(a)所示,在位置A处激发的光子边缘态只能向右单方向传输,并且由于受到拓扑保护,这种单方向传输不受障碍物的影响(见图(b))图暋(a)光子拓扑绝缘体中边缘态的单方向传输(b)传输不受障碍物的影响超构材料的研究和应用专题暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn暋EPSs与凝聚态系统量子动力学现象与凝聚态系统比较,EPSs在空间尺度与时间尺度有更大的调节范围,因此更易于研究凝聚态系统中不容易观察到的量子动力学现象下面以半导体中布洛赫(Bloch)振荡和齐纳(Zener)隧穿作为例子,来说明EPSs中类量子动力学现象的研究特色和优点布洛赫振荡描述了在静电场作用下电子在布里渊区边界上的振荡行为,而齐纳隧穿则涉及到不同能带之间电子的隧穿在电子系统中,这两个现象涉及到很小空间尺度和很短的时间尺度,实验难度很大而通过设计合适的EPSs,则可以在实验上不仅可以观察到相关的类量子动力学现象,甚至还可以实现可视化,如图所示图暋光子超晶格结构中观察到的布洛赫齐纳振荡除了静电场作用,EPSs还可以模拟交变电场中电子输运现象,如动力学局域化在用激光直写方法制备的弯曲EPSs中,文献观察到了源于传统布洛赫振荡的动力学局域现象而文献观察到了源于非传统布洛赫振荡新的动力学局域现象EPSs还被进一步用来模拟更为复杂的电子动力学行为,如电子石墨烯中狄拉克电子波包输运的颤动(zitterbewegung)行为文献首次提出,利用一维耦合波导形成的简单EPSs可以模拟狄拉克电子波包输运的颤动,理论预测很快就被随后的实验证实凝聚态系统中,无序对电子的输运行为有很大的影响EPSs的好处是可以可控地引入无序,从而提供了一个可用于系统研究无序影响的平台文献是在两维光子晶格中,通过可控地引入无序,研究了光子输运过程从扩散到安德森(Anderson)局域化的变化过程此外,同济大学课题组对无序超构材料中的项链态(nacklacestates)也展开了研究暋EPSs与原子系统中的若干量子光学现象暋EPSs与拉比(Rabi)劈裂、拉比(Rabi)振荡拉比劈裂和拉比振荡是量子光学研究的基本问题之一在二能级原子与光学微腔发生共振耦合的系统中,存在两个本征模,这就是拉比劈裂而所谓拉比振荡是指该二能级原子交替不断地向微腔辐射光子,又从微腔吸收光子的过程,即光子在二能级原子与光学微腔之间来回振荡考虑到损耗,拉比振荡是一种阻尼振荡通常人们利用量子点(模拟二能级原子)和微波谐振腔的耦合来研究人工微结构中的拉比劈裂和拉比振荡基于超构材料,人们可以制备出“人造原子暠(尺度远小于波长的开口谐振环)基于等效零平均折射率超构材料,还可以实现特殊的亚波长谐振腔(突破传统的半波长极限)同济大学课题组利用这种“人造原子暠和特殊的亚波长谐振腔,对拉比劈裂和拉比振荡进行了较为系统的研究,观察到频域上的本征模的劈裂和时域上的能量的振荡(见图)特别应该指出,与传统谐振腔中的正弦函数型的驻波场不同,在基于等效零平均折射率超构材料的谐振腔内,场分布呈指数型因此,新型微腔不仅体积更小,而且腔体内电场高度局域,极大地增强了人造原子与光学微腔之间的耦合超构材料亚波长腔的这些特性,不但使观察和研究拉比劈裂和拉比振荡更加方便,而且对此类量子器件的应用也具有重要的科学参考意义暋EPSs与电磁感应透明电磁感应透明(electromagneticallyinducedtransparency,以下简称EIT)是量子光学的一个重要现象,因其具有慢光效应和强烈的非线性等突出特点,以及它在无粒子数反转激光器中的应用,受到了广泛的关注EIT来源于三能级原子系统中两个量子通道之间的相干效应,通常需要低温、强激光等苛刻的实验条件暋暋近年来,EPSs中类EIT现象的研究非常活跃在EPSs中,三能级原子被由超构材料或局域表面等离激元共振微结构所形成的“人造原子暠代替,微观量子通道之间的干涉被宏观光场之间的干涉代替美国伯克利大学张翔教授的研究小组首先在理论上利用局域表面等离激元微结构设计了“亮态暠和超构材料的研究和应用专题http:飋飋wwwwuliaccn暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理卷(年)期图暋(a)模拟拉比劈裂和拉比振荡的EPSs结构(b)拉比劈裂的透射谱(c)拉比振荡“暗态暠,研究了“亮态暠与“暗态暠之间的耦合所导致的类EIT效应在类EIT现象的透明窗口内,亮态的本征吸收被抑制,因而类EIT现象的EPSs还被建议用来制备低损耗的超构材料最新的理论研究指出,采用类似的EPSs结构还可以构造宽带的慢波材料另外,在等离激元微纳天线光波导耦合系统中,合适的相位匹配也会导致明显的类EIT现象实验上最早在双层鱼网结构的超构材料中观察到了微波波段的类EIT效应利用金属微纳偶极子天线作为“亮态暠,四极子天线作为“暗态暠,最近的实验将超构材料中的类EIT效应延伸到红外区域该实验还观察到等离激元“人造原子暠的损耗小于由德鲁德(Drude)模型所描述的金属薄膜的损耗,这表明类EIT效应可以抑制金属的本征吸收同济大学课题组提出了波导系统中的类EIT超构材料图(a)为由个基本单元组成的具有类EIT性质的EPSs样品实验表明,该EPSs具有类EIT的透射谱和群延时特性(从脉冲信号进入结构到信号从结构中出来所经历的时间称为群延时,群延时越大,越有利于实现信息存储和观察非线性效应),即在相对较宽的不透明频谱内出现很窄的透明窗口,且窗口内具有慢波特性(见图(b),(c))另外,实验研究表明,“亮态暠内本征损耗的增加虽然不超构材料的研究和应用专题暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn会影响透过率,但会导致群延时带宽的降低图暋波导系统中的类EIT超构材料暋(a)样品照片插图为一个EIT单元的结构示意图,其中可调电阻R用于调节“亮态暠的本征损耗(b)测得的透射谱和群延时(c)脉冲在类EIT超构材料中的输运行为群延时和脉冲展宽文献仔细研究了等离激元“人造原子暠的几何参数与三能级原子系统物理参数之间的关系理论研究表明,通过简单调节“人造原子暠结构的几何参数,可以实现完整的类EIT现象及相关调控方式这种几何参数与物理参数之间联系的理论研究,还被推广到更为复杂的四能级系统有关EPSs中类量子光学现象研究目前很活跃,相关进展可参见文献,暋EPSs与Fano共振在量子系统中,存在分立的量子态和连续的量子态年,UFano研究了分立量子态与连续量子态的相互作用,发现其相互作用后的谱线不再表现为对称的洛伦兹型,而是呈现出不对称的线型,在共振谱线的一侧会出现强度的极小点(见图)这个现象被后人称为Fano共振随后,Fano型的谱线引起了人们广泛的兴趣,Fano的论文也成为物理界世纪最有影响力的论文之一近十年来,EPSs中的Fano共振现象开始成为新兴的研究热点美国斯坦福大学的范汕洄教授提出可以通过在波导与旁路谐振腔的耦合系统中加入部分反射的构件来实现不对称的Fano谱线其中,波导中加入的两个构件可以产生法布里珀罗共振,使其形成一个相对较宽的透射峰,而旁路耦合的谐振腔可以形成非常锐利的共振谱线这两个共图暋Fano共振在光子晶体系统中的实现及其对应的量子力学解释振通道分别对应于量子系统中的连续态和分立态两者相互耦合,就可以形成Fano型的不对称谱线该发现表明,如果能在EPSs结构中设计出相互作用的两条传输通道,就能够实现Fano共振在光子系统中的类比此后,研究者在二维光子晶体平板结构中也发现了Fano型谱线这说明该结构的波传输过程也存在两个不同的通道:其一是一部分光直接通过介质板,形成连续的透射谱其二是一部分光激发了该结构的导波模式,波沿着平板方向传播,场在结构两侧的自由空间中呈指数衰减,构成另一个类型的传输通道类似的结构还有光子晶体纳米谐振腔其设计思想是在平板上做二维周期性结构,形成连续的散射光谱,其中嵌入纳米谐振腔来实现分立谱,从而形成不对称的谱线此外,利用连续的米式散射和光子晶体的窄带布拉格散射也可以实现Fano型谱线用EPSs结构来实现Fano共振相比于量子系统有诸多好处其一是不对称谱线的线型和位置可以非常方便地进行调控,通常只需要改变结构的几何尺度和位置便可以实现对于含有谐振腔的结构,调节谐振腔的品质因子也是一种非常有效的手段其二,通过研究非线性光子晶体中的Fano共振现象,可以实现非常易于调控的光学双稳现象,实现最优化的光开关此外,借用Fano共振的观点,我们可以从新的角度来看待一些新奇的物理现象例如,文献的作者以Fano共振的机理为基础发展了一套方法来研究小颗粒的散射问题,成功地解释了除瑞利散射之外出现的新奇散射现象有关Fano共振现象的系统发展,可参阅文献国内在EPSs中类量子现象及相关问题的研究也很活跃,并取得了丰富的有特色的成果南京大学超构材料的研究和应用专题http:飋飋wwwwuliaccn暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理卷(年)期祝世宁院士、彭茹雯教授及合作者研究了超构材料与等离激元中的光子能带、Fano共振等南京大学陈延峰教授及合作者研究了光子拓扑绝缘体的输运行为南京大学王振林教授及其合作者研究了等离激元中的Fano共振中国科学院物理研究所李志远教授及其合作者研究了光子拓扑绝缘体边缘态的行为北京师范大学张向东教授研究了声子石墨烯结构中抖动输运现象武汉大学刘正猷教授及其合作者研究了声子晶体中的类EIT效应武汉大学王取泉教授研究了等离激元微纳结构中的类EIT效应武汉大学汪国平教授及其合作者研究了光波导耦合阵列中的Bloch振荡中山大学王雪华教授研究了光子晶体中量子及类量子光学现象南开大学王慧田教授研究了超构材料中FanoFeshbach共振现象由于篇幅限制,更多的国内研究工作不能一一列举暋结论和展望波的干涉是自然界的普遍物理规律EPSs中类量子现象的研究,正是基于经典电磁波系统和微观量子系统具有的这一共同的物理规律量子理论预言的凝聚态、原子系统所蕴含的许多量子效应,也得以在经典的EPSs平台上展现本文介绍了基于EPSs特殊光调控效应实现的若干类量子现象,包括类石墨烯量子现象、类拓扑绝缘体量子现象、类量子动力学现象、类拉比振荡现象、类电磁感应透明现象、类Fano共振现象等等EPSs中有关类量子现象的研究,一方面生动地模拟了微观系统的量子行为,将量子体系中理论预言但难以实验观测的现象在相对纯净且技术成熟的光子平台中实现,从而进入到更加深入的研究层面另一方面,量子体系中的成熟概念又可以来指导不同于传统的新型光子调控器件的设计与开发,带来新的技术突破此外,我们还注意到,经典电磁波平台的新概念也能够反过来促进对量子系统的研究,例如受到超构材料负折射成像的启发,石墨烯中有关电子流负折射奇异聚焦的研究正在兴起,总之,EPSs中有关类量子光学的研究方兴未艾!它涉及光物理、凝聚态物理、量子光学等多个学科领域的前沿交叉,具有广阔的研究空间。有关研究不仅可以揭示许多有趣的物理问题,还可以为新型量子调控器件的研发提供科学基础参考文献暋JoannopoulosJD,JohnsonSG,WinnJNetalPhotonicCrystals:MoldingtheFlowofLight(nded)PrincetonNJ:PrincetonUniversityPress,暋YablonovitchEPhysRevLett,,:暋JohnSPhysRevLett,,:暋RussellPStJScience,,:暋EnghetaN,ZiolkowskiRWMetamaterials:Physicsand暋暋暋暋EngineeringExplorationsWileySons,暋DollingG,EnkrichCetalScience,,:暋PendryJBPhysRevLett,,:暋SchurigD,MockJJetalScience,,:暋MaierSAPlasmonics:FundamentalsandApplications暋暋暋暋Springer,暋DragomanD,DragomanMQuantum灢ClassicalAnalogies暋暋暋暋Berlin:Springer,暋LonghiSLaserPhotonRev,,:暋KatsnelsonMIetalNaturePhysics,,:暋Tworzyd旵oJetalPhysRevLett,,:暋SepkhanovRetalPhysRevA,,:暋ZandbergenSetalPhysRevLett,,:暋LonghiSPhysRevB,,:暋Bahat灢TreidelOetalPhysRevLett,,:暋Garcia灢PomarJLetalPhysRevLett,,:暋SepkhanovRAetalPhysRevB,,:暋OnodaM,OchiaiTPhysRevLett,,:暋叶飞,苏刚物理,,:YeFei,SuGangWuli(Phys灢ics),,:(inChinese)暋HaldaneFDMetalPhysRevLett,,:暋WangZetalPhysRevLett,,:暋HanDetalPhysRevLett,,:暋NamSHetalOptExpress,,:暋WangZNature,,:暋FuJin灢XinetalApplPhysLett,,:暋DreisowFetalPhysRevLett,,:暋SzameitAetalNaturePhysics,,:暋JoushaghaniAetalPhysRevLett,,:暋LonghiSOptLett,,:暋DreisowFetalPhysRevLett,,:暋VardenyZVetalNature,,:暋TanWeietalOptExpress,,:暋ReithmaierJPetalNature,,:暋JiangHTetalOptLett,,:暋ZhangLWetalPhysRevE,,:暋ZhangLWetalOptExpress,,:暋ZhangLWetalPhysRevE,,:暋HarrisSEPhysToday,,:暋ZhangSetalPhysRevLett,,:暋TassinPetalPhysRevLett,,:暋WuChihhuietalPhysRevLett,,:暋KekatpureRDetalPhysRevLett,,:暋PapasimakisNetalPhysRevLett,,:超构材料的研究和应用专题暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn暋LiuNetalNatureMaterials,,:暋SunYetalPhysRevB,,:暋XuHetalOptExpress,,:暋PapasimakisNetalOptPhotNews,,:暋Luk'yanchukBetalNatureMaterials,,:暋FanoUPhysRev,,:暋MiroshnichenkoAEetalRevModPhys,,:暋FanSHApplPhysLett,,:暋FanSHetalPhysRevB,,:暋GrilletCetalOptExpress,,:暋HarbersRetalApplPhysLett,,:暋QiangZetalApplPhysLett,,:暋GalliMetalApplPhysLett,,:暋RybinMVetalPhysRevLett,,:暋Soljac暒ic'MetalPhysRevE,,:暋CowanARetalPhysRevE,,:暋MingaleevSFetalOptExpress,,:暋MaesBj昳rnetalOptExpress,,:暋TribelskyMIetalPhysRevLett,,:暋CheianovVVetalScience,,:暋MoghaddamAG,ZareyanMPhysRevLett,,:超构材料的研究和应用专题

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