以倏逝場耦合的納米結構中的波包傳播

《以倏逝場耦合的納米結構中的波包傳播》是依託南昌大學，由劉念華擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：以倏逝場耦合的納米結構中的波包傳播
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：劉念華
• 依託單位：南昌大學

項目摘要

倏逝場是場的振幅以指數形式隨距離衰減的場，在量子隧道器件、半導體量子阱與超晶格、光波導等光電器件中有重要套用。本項目擬從粒子與場的相互作用的角度來探索形成倏逝場的物理起源。以現有的量子力學理論和電磁場理論為基礎，建立粒子與場相互作用的耦合波方程，通過解析的方法和數值計算的方法求解方程，確定有倏逝場存在時體系所處的狀態與傳輸特性。我們將在納米尺度的介觀結構中，突破現有的線性量子力學理論的框架，尋找能包含粒子與場耦合的非線性方程，探索性地引入一些新的概念和建立新的理論方法使之能在介觀尺度下自洽地銜接經典理論與量子理論。在此基礎上，設計一些通過倏逝場耦合的人工微結構，例如，半導體多量子阱結構、包含特異材料的光子晶體、能帶受到調製的周期性石墨烯納米條帶等等，研究其中的電子輸運和波包的傳播，為製備高速回響、高靈敏度、高保真、低噪聲、低耗散的光電器件奠定物理基礎。

結題摘要

在光子晶體、聲子晶體、石墨烯納米條帶等人工周期性結構中存在帶隙，能量或頻率落入帶隙中的波為倏逝場。本項目主要完成的工作可歸納為四個方面： 第一、以倏逝場耦合的多波導系統的電磁波和聲波傳播特性研究。發現通過調整表面波導與內波導結構參數，使得兩者的等效折射率曲線和波導色散曲線匹配，可以實現高效率的耦合。在通過倏逝場耦合的多路聲子晶體波導中存在多模干涉和自映像現象，可用於功率分束等聲波控制系統。準晶結構光聲子晶體(phonxonic crystal)中的存在豐富的局域模式。這些在同一區域中電磁波和彈性波的局域化可以增強電磁波與彈性波的相互作用。 第二、光子帶隙結構的限制效應及套用的研究。利用傳輸矩陣方法及Bloch定理得到了光入射到半無限周期結構的反射係數的計算公式。對正負折射率材料光子晶體的計算表明，適當選擇介電函式和磁導率，傳輸矩陣為單位矩陣，出現零反射。由特異材料組成的尺寸漸變的多個光學腔耦合可以形成振盪的周期可達到微秒量級的光學Bloch振盪。在引力波作用下光子帶隙將變成動態的，可以使Hartman效應消失。這一結果為引力波的探測提供了一種新的思路。用石墨烯來替代半導體量子阱構成多層Bragg散射結構並施加外磁場，能更有效地實現更低的群速度。 第三、石墨烯基人工微結構中的電子輸運特性研究。可利用電子自旋與等效交換場的相互作用以及外場的作用形成超晶格勢，自旋相關的克萊因隧穿使得磁阻具有周期振盪特徵，而且比Rashba自旋軌道耦合調製的石墨烯的磁阻更大，還可以利用費米速度來調節自旋輸運。 第四、石墨烯微結構中的光電耦合的研究。由於石墨烯的光電導依賴於Fermi能級的位置，而Fermi能級可以通過外加電場來控制，因此可以通過外加電場來來調控光電耦合, 特別是控制石墨烯基的納米結構的光吸收。此外，我們還研究了通過倏逝場耦合的兩層石墨烯之間的量子摩擦問題。發現摩擦係數與化學勢、溫度、襯底的介電常數以及兩層石墨烯之間的距離密切相關。