[理学]第四章量子力学的应用.ppt

电子在晶格的行为—一维晶格 Electron Behavior in Crystal Lattice—1D Crystal Lattice 电子在晶格的行为—一维晶格 Electron Behavior in Crystal Lattice—1D Crystal Lattice 光子晶体简介 光子晶体—具有周期结构的介电材料。 虽然被称之为人工材料，但自然界中早已存在拥有这种性质的物质。 光子晶体简介 瑞利(Rayleigh)和米氏(Mie) 散射 固体中的光散射 色散（dispersion） 各种电磁波在真空中传播的速度是定值 进入材料后其速度将个不相同——色散 由Snell定律可知，不同波长的电磁波以一定角度入射到材料上，其折射角会不相同。利用此现象可以制作光学系统常用的棱镜，将不同波长的光分开。这样的色散称为材料色散（Material dispersion） 所获得的折射率与波长的关系称为色散关系（dispersion relation）。 纳微结构能对光（电磁波）传播产生强烈影响 光子晶体 光子晶体的带隙 光子晶体的基本特性是光子能隙，也就是某些光子晶体结构会让某些波长范围的电磁波无法穿过光子晶体。 光子晶体的带隙 光波与原子的作用VIII Light－Atom Interaction VIII ? E1 E2 ? 共振时，原子处于两能级几率的变化 ——称为拉比振荡（Rabi Ocillation） |c1|2 |c2|2 光波与原子的作用VIIII Light－Atom Interaction VIIII 拉比振荡的实验观察 M. Brune, F. Schmidt-Kaler, et. PRL,76(11):1800-1803,1996 作业 1、如果在非共振的时候，一开始原子处于低能级，那么光场与原子相互作用过程中，原子处于两个能级的几率将如何变化？失谐量?对此有什么影响？ 2、原子偶极距如何计算？共振时原子的偶极子将如何变化？请给出物理解释。 盛产于澳洲的宝石 ——欧泊、澳宝、蛋白石(opal) 二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物 被誉为宝石世界的精灵 同时闪烁出橙红、蓝、黄、绿等七彩的颜色 在不同的方向观察，这些颜色还会变化或移动 产自北美地区的热带雨林 大闪蝶 群居生活、闪烁的彩带 定性解释蛋白石和大闪蝶 为何会闪烁出斑斓的颜色 纳微结构 干涉花纹 空间分布 频率和角度 纳微结构能对光（电磁波）传播产生强烈影响 大气：巨大的散射体 为啥天空是蓝的呢？ 云朵为啥是白色的呢？ scattering 气体分子：氮、氧等 光的散射（scattering） 1871年，英国科学家瑞利在分析太阳光在具有分子的环境下的散射时发现散射光的强度与波长的四次方成反比，频率越高，散射强度越强。该现象随后被称之为Rayleigh 散射。粒子大小远小于光波波长。 1908年，Gustav Mie研究了粒子大小与散射的关系。发现当粒子的大小大于光波波长时，不同波长的散射强度大致相同，与波长无关。该散射现象后来被称之为Mie散射。 光子晶体----介于Rayleigh和Mie之间的一种情况 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? for most l, beam(s) propagate through crystal with little scattering (most scattering cancels coherently) 利用纳微结构来控制光（电磁波）传播行为 目的：为人类的生活服务 信息的二大载体：电子和光子 Photons ·?????? Wavelength: Eigenvalue equation ·?????? Free space propagation: Plane wave k = wave vector, a real quantity Electrons Hψ = Eψ Plane wave: k = wave vector, a real quantity Photons ·?????? Interaction potential in a medium: Dielectric constant (refractive index) ·?????? Propagation in classically forbidden zone Pho