Foton je kvant elektroe magnetsko polje. Elektron emituje fotone samo kada se kreće ubrzano.

Pitanje 1:

Odnosno, kada struja teče u provodniku, da li to znači da se elektron kreće ubrzano ili ne???

Razumijem proces...
Elektron, koji se nalazi u atomu, izmjenjuje fotone s jezgrom atoma s protonom i odmah ih apsorbira.
Kada se elektron odvoji od atoma i počne se kretati u nekom smjeru, on emituje fotone.

Zašto???
Pregledao sam knjige i nisam našao jasan odgovor, ali sam naišao na mail.ru, gdje je jedan fizičar odgovorio da je svaki elektron obučen u fotonski kaput. A kada se elektron počne kretati, ovaj fotonski omotač odleti s elektrona i, shodno tome, uvije se poput vihora.

Pošto elektron ima spin, fotoni se okreću prvo u jednom smjeru kada se elektron kreće u jednom smjeru, zatim u drugom smjeru kada se elektron kreće u suprotnom smjeru.

To je tačno: čak i kada smo u istraživaču D.C., tada se takođe smatra da se elektron kreće ubrzano.

To je elektromagnetno polje. Dakle, fotone emituju elektroni???

Sa zračenjem, šta nam daje električno polje, koju funkciju ono ima.

Sa magnetnim je jasno, ne može biti ako nije električno polje. Budući da električno polje samo generiše usmjereno kretanje nabijenih čestica.

A za prijemnu antenu su bitni samo fotoni?

Fotoni lete u rotirajućoj palačinki do prijemne antene. U prijemnoj anteni, orbitale elektrona se poredaju za interakciju i počinju da se kreću u suprotnom smeru, emitujući fotone koji idu prema onima koji pristižu.

Vremena nastaju indukcijske struje, tako da postoji suprotno magnetno polje.
Dakle, fotoni također moraju letjeti prema.
Tu se postavilo pitanje njihove međusobne interakcije.

Ko misli šta je unutar elektrona?

Pokušavam da prelistam literaturu i shvatim sve to.

Evo glavnih haotičnih misli:
1. Elektron se može roditi u β-raspadu (ovo je vrsta radioaktivnog raspada)

2. Elektron je donekle sličan zemlji. (ima i magnetne polove)
Inače, mislio sam da je sjeverni pol sjeverni, južni pol je južni.
U školi su samo kratko pričali o tome, ali tada nisu pridavali značaj.

Sjeverni pol je fizički Južni pol. To jest, magnetne linije ulaze u vrh Zemlje
Južni pol je fizički Sjeverni pol. Magnetne linije koje izlaze iz dna zemlje

I Zemlja se okreće oko jezgra, a ako pored Zemlje stavite univerzalni magnet (možda i crni ima magnetna svojstva?), onda bi i Zemlja, logično, trebala emitovati fotone. (fotonski kaput, tj.)

I postoji razlog zašto - zemlja ima jezgro koje ih emituje.

3. Elektron ima neku vrstu energije, jer je obučen u fotonski kaput.

Zaključak: to znači da elektron mora imati vrlo moćno jezgro u kojem se odvijaju neprigušene reakcije u obliku generiranja istih fotona.
Možda glupost, ali možda ipak postoji komadić protona? Samo što je proton u jezgri – ispostavilo se da je pozitivniji, a onda je elektron negativniji.

Hvala unaprijed!

© Zvezdin A.K.

Kvantna mehanika zarobljenih fotona

Optičke mikrošupljine, talasovodi, fotonski kristali

A.K. Zvezdin

Anatolij Konstantinovič Zvezdin, Doktor fizičko-matematičkih nauka, prof., gl. naučnim saradnik Teorijsko odeljenje Instituta za opštu fiziku imena A.M. Prohorova RAS.

Kada govorimo o kvantna mehanika, prije svega, nastaju asocijacije povezane s elektronom: dualizam "talas-čestica", Schrödingerova jednačina, kvantizacija energetskih nivoa elektrona u atomima itd. Foton (kvant elektromagnetnog polja) je, takoreći, u pozadini. Naravno, ova elementarna čestica je vrlo važna sa konceptualne tačke gledišta, ali se u kvantnoj mehanici smatra uglavnom kao posredni agens u problemima gdje se proučava interakcija zračenja i materije.

Stanje elektrona može biti proizvoljno, vezano (na primjer, u atomu) i slobodno, a određeno je vanjskim poljima koja djeluju na elektron. Tačnije, valna funkcija elektrona izračunava se pomoću Schrödingerove jednadžbe, koja omogućava pronalaženje energetskog spektra elektrona (ovisnost njegove energije o impulsu).

Za razliku od elektrona, foton se obično smatra slobodnom česticom sa energijom E = ć w i impuls p = ćk, gdje je w- frekvencija, k - talasni vektor (|k| = k = 2 p/l, gdje l- talasna dužina), ć - Plankova konstanta. Energetski spektar slobodnog fotona je kontinuiran (kao i za slobodni elektron) i karakterizira ga dobro poznati zakon disperzije elektromagnetnih valova

c = w k. (jedan)

Ako je foton u prozirnoj tvari s indeksom loma n, tada umjesto brzine svjetlosti c u formuli (1) treba zamijeniti u = c/n. Razlika u ponašanju i opisu elektrona i fotona objašnjava se činjenicom da elektron ima električni naboj, tako da je lako uticati na njegovo stanje elektromagnetna interakcija. Foton je na takvoj slici predstavljen kao nešto što se ne može kontrolisati i kontrolirati vanjskim utjecajima.

Kako lokalizirati foton?

Međutim, krajem XX veka. situacija sa fotonima se promijenila. Stvoreni su novi optički materijali, strukture i uređaji u kojima je kretanje fotona daleko od toga da je slobodno, već više liči na kretanje elektrona u atomima, molekulima i kristalima. Najjednostavnija takva struktura je optički mikrorezonator; šupljina čiji zidovi imaju visok koeficijent refleksije u određenom frekventnom opsegu. Očigledno je da je kretanje fotona ograničeno unutrašnjim volumenom šupljine. U engleskoj literaturi ovo svojstvo kvantne čestice označava se riječju “confinment”, tj. “zatvaranje u zatvoreni prostor”, ili kraće – “zarobljeništvo”. Stoga je prirodno foton zatvoren u mikrorezonatoru nazvati zarobljenim ili lokaliziranim*. Kao i kod vezanog elektrona, energetski spektar zarobljenog fotona postaje diskretan.

* Problem fotona lokalizovanih u svemiru dugo je okupirao klasike. Bohrov posljednji rukom nacrtan na tabli u njegovoj kancelariji u palači Carlsberg uveče prije njegove smrti (18. novembra 1962.) navodno je bio crtež Ajnštajnove fotonske kutije, koja je bila direktno povezana sa jednim od glavnih pitanja u Borovim diskusijama s Einsteinom.

Svojstva bliska mikrorezonatoru su, na primjer, film ili niti koji se sastoje od prozirnog materijala sa višim indeksom prelamanja i okružen medijumom sa nižim indeksom prelamanja. Na ovom principu se zasniva optička vlakna. Opet, po analogiji s elektronom, možemo reći da medij sa većim indeksom prelamanja djeluje na foton, kao potencijalna bušotina na elektron, tj. drži ga u odgovarajućoj zoni prostora.

Složenija situacija se ostvaruje u novim umjetnim optičkim materijalima - fotonskim kristalima. Ovaj termin je u naučnu upotrebu 1987. godine uveo E. Yablonovich, ističući da je energetski spektar fotona koji se kreće u fotonskom kristalu sličan spektru elektrona u stvarnom kristalu, na primjer, u poluprovodniku. Gotovo istovremeno, slični rezultati objavljeni su u radu S. Johna.

Fig.1. Ovisnost indeksa loma od koordinate (a) i šematski prikaz strukture fotonskih kristala (b):
jednodimenzionalni (1D), dvodimenzionalni (2D) i trodimenzionalni (3D).

Fotonski kristal je prostorno nehomogena struktura koju karakteriše periodična funkcija n(x, y, z), gdje je n indeks prelamanja materijala (slika 1a). U cjelini, slika podsjeća na potencijalni reljef za elektron u kristalu. Ovdje se formira i pojas u pojasu - određeni frekvencijski raspon u kojem je zabranjeno slobodno širenje fotona. Analogija fotonski kristal-poluprovodnik pokazala se vrlo plodnom za projektovanje i stvaranje novih optičkih materijala i uređaja, što je značajno proširilo mogućnosti optoelektronike i informacione tehnologije. Pošteno radi, treba napomenuti da je još 1972. godine ruski fizičar V. Bykov sa Instituta za opštu fiziku objavio niz važnih rezultata vezanih za takve periodične medije. Njegov rad, kao i rad drugih autora na ovoj temi, po svemu sudeći, obavljen je prerano, kada situacija još nije bila sazrela i pažnja istraživača bila usmerena na druge pravce koji su bili relevantniji u to vreme. Osim toga, privlačan izraz “fotonski kristal” odigrao je značajnu ulogu u bumu koji su inicirali radovi [ , ]. Drugi poznati francuski matematičar A. Poincaré je primijetio da je dovoljno izmisliti novu riječ i ova riječ postaje tvorac.

Stimulisano interesovanje i praktične potrebe: svetlost je privlačna jer može da nosi veoma velike tokove informacija. Dakle, frekvencijski pojas optičkog kabla (~10 12 Hz) je mnogo reda veličine veći od frekvencijskog pojasa električnog vodiča istog prečnika. Još jedna intrigantna perspektiva je kontrola intenziteta spontane i inducirane emisije atoma i molekula smještenih u fotonskim kristalima ili optičkim mikrošupljinama kako bi se povećala efikasnost različitih izvora svjetlosti, od sijalica sa žarnom niti do lasera.

Neka blista, a ne toplo

Dobro je poznato da kada elektron prođe između energetskih nivoa E n i Em m, foton se apsorbuje ili emituje. Vjerovatnoća takvog procesa, na primjer, procesa spontane emisije fotona, proporcionalna je gustini fotonskih stanja g( w) na frekvenciji w= = (E n – E m )/ ć. Grubo govoreći, g( w) je broj fotona koji imaju frekvencije u rasponu od w prije w + Dw, koji se može „smestiti“ u jedinicu zapremine (1 cm 3 ). Za slobodne fotone, gustina g(w) zavisi samo od frekvencije i iznosi (slika 2.)

g( w) = w 2 / (str 2 c 3 ). (2)

Fig.2. Gustine stanja slobodnog fotona (1) i fotona lokaliziranog u 3D mikrorezonatoru (2).

Određuje, posebno, intenzitet zračenja tijela zagrijanog na temperaturu T (na primjer, žarulje sa žarnom niti): intenzitet I( w) je proizvod energije fotona ć w, broj mogućih mjesta za to g( w) i odgovarajuću vjerovatnoću popunjavanja ovih mjesta. S obzirom da je ovo drugo zadato Planckovom funkcijom, dobijamo vrlo nizak intenzitet vidljivih izvora svjetlosti na bazi toplinskog zračenja (sijalice sa žarnom niti i sl.). Slika 3 pokazuje da čak i kada se koriste volframovi filamenti najotporniji na toplinu (T ~ 2000°C), glavni dio termičko zračenje pada u infracrveni opseg i samo mali dio (~5%) pada u vidljivi opseg. Žarulje sa žarnom niti uglavnom zagrijavaju okolni prostor, a ne sijaju. Korištenjem optičkih mikrorezonatora i fotonskih kristala moguće je povećati izlaz svjetlosti i efikasnost izvora topline. Šta je suština ideje?

Rice. 3. Spektar intenziteta zračenja I( w).
Zasjenjeno područje prikazuje dio ukupne distribucije,
unutar vidljivog dometa.

Ako bismo mogli preraspodijeliti gustinu fotonskih stanja g( w) tako da je maksimalna u vidljivom dijelu spektra i mnogo manja (idealno bi se pretvorila u 0) u IC opsegu, tada izlaz svjetlosti, tj. omjer svjetlosne energije zračenja i ukupne energije bi se značajno povećao. Kontrola geometrijskih i fizičkih parametara fotonskih kristala i mikrorezonatora to omogućava.

U najjednostavnijim ravnim optičkim mikrošupljinama, širenje fotona duž ose z ograničeno je metalnim ogledalima (slika 4a) ili takozvanim Braggovim ogledalima (slika 4b). Potonji su sistemi naizmjeničnih tankih dielektričnih slojeva dizajnirani tako da se zbog interferencije uzastopnih i reflektiranih zraka prolazak svjetlosti kroz ogledala potpuno gasi. Kao glavni i pomoćni slojevi koriste se, na primjer, Ga 1-x Al x As poluvodiči s različitim vrijednostima x; tehnologija njihove primjene i međusobnog usklađivanja je nedavno dobro razvijena. Postoje 1D mikrošupljine - filmovi u kojima postoji jedan zabranjen smjer za širenje fotona, 2D mikrošupljine - optička vlakna u kojima je zabranjeno slobodno širenje fotona u dva smjera i 3D mikrošupljine u kojima je foton potpuno zarobljen (Sl. 1b ). U potonjem slučaju, nivoi energije fotona postaju diskretni.

Rice. četiri. Planarni mikrorezonatori:
sa ogledalima (a); sa Braggovim ogledalima (b).

Neka 3D mikrorezonator ima oblik paralelepipeda sa potpuno reflektirajućim zidovima, tada će vlastite frekvencije fotona u njemu biti

w 2p,s,k = str 2 c 2 /n 2 (p 2 /a 2 +s 2 /b 2 + k 2 /c 2 ), (3)

gdje su p, s, k cijeli brojevi. Nivoi energije fotona u mikrorezonatoru su definisani kao E 2 p,s,k = = ć w 2p,s,k . Gustina fotona stanja ovdje je skup uskih vrhova centriranih u tačkama w 2 p,s,k (sl. 2). Odabirom vrijednosti a, b, c, n (kao i p, s, k) možemo napraviti gustinu g( w) je velika (ili, obrnuto, skoro jednaka nuli) u željenom području spektra. Ovu činjenicu je 1947. godine prvi put objavio američki fizičar E. Purcell i naziva se Purcell efekt. Dugo vremena je takva mogućnost kontrole spektra fotona i vjerovatnoća spontanih prijelaza ostala teorijsko predviđanje. AT poslednjih godina Purcell efekat je pouzdano eksperimentalno potvrđen.

Moramo napraviti rezervu: ukupna refleksija svjetlosti ne znači da se svo zračenje reflektira na zidovima. Zaista, foton ili snop svjetlosti pada iz optički gustog medija s indeksom loma n 1 na granicu s optički manje gustim medijem s indeksom loma n 2 (n 2< n 1 ) под углом, бo veći od Brewsterovog ugla q B \u003d arcsin n 2 / n 1, doživljava potpunu unutrašnju refleksiju. Ali analiza Maxwellovih jednačina pokazuje da se u ovom slučaju, umjesto propuštenog vala u optički manje gustom mediju, duž površine širi takozvani bočni ili bočni val čija amplituda opada kao exp(– a z), gdje je z normalna udaljenost od granice, a- parametar slabljenja. A ako se drugi optički gusti medij s n = n 1 postavi iznad međusklopa medija, bočni val prodire u njega i pretvara se u val koji se slobodno širi sa istim valnim vektorom kao i upadni val u izvornom mediju.

Rice. 5.Šematski prikaz tuneliranja
elektron kroz potencijalnu barijeru (a)
i foton kroz medij sa smanjenim indeksom prelamanja (b).

Ovaj dobro poznati optički efekat se obično tumači u smislu kvantnog efekta tuneliranja. Kaže se da foton tunelira iz jednog medija u drugi na isti način kao elektron iz jednog potencijalnog bunara u drugi. Ovdje, kao što je gore navedeno, optički gusti mediji služe kao analogi potencijalnih bunara za fotone, a optički manje gusti medij služi kao analog barijere između njih (slika 5). Tunelski efekat fotona se široko koristi u integrisanoj optici za pružanje optičke komunikacije između različitih optičkih kanala*.

* U stvari, sve se dogodilo upravo suprotno. Prvo je otkriven i proučavan "efekat tunela" u optici. Ovo dostignuće pripada akademiku L. I. Mandelstamu. Mnogo kasnije (1927), on i njegov učenik, budući akademik M. A. Leontovich, proširili su dobijeni rezultat na elektrone. Termin "tunelski efekat" pojavio se još kasnije.

Unutar fotonskog kristala

Da razjasnimo kvalitativnu stranu stvari, baš kao što se to radi u fizici čvrsto telo, razmotrimo jednodimenzionalni lanac optičkih mikrošupljina s razmakom između njih jednakim d i razmakom između centara susjednih mikrošupljina jednakim a.

Neka su E 1 i E 2 dva diskretna nivoa koji pripadaju porodici dozvoljenih nivoa rezonatora. Također pretpostavljamo da fotoni u rezonatoru mogu tunelirati u najbliže susjedne (lijeve i desne) rezonatore. Kako će to uticati na nivoe E 1 i E 2 ? U fizici čvrstog stanja odgovor je dobro poznat: diskretni energetski nivoi E 1 i E 2 pretvaraju se u dozvoljene trake, čija širina raste sa povećanjem amplitude verovatnoće tuneliranja (slika 6).

Rice. 6. Formiranje energetskih dozvoljenih pojaseva sa diskretnih nivoa w 1 i w 2 zbog tunelskih prijelaza.

Ako je energija fotona u dozvoljenoj zoni, foton se slobodno širi duž lanca mikrorezonatora, iako je zakon disperzije koji se odnosi na frekvenciju i valnu dužinu fotona, općenito govoreći, fundamentalno drugačiji od onog za slobodni foton. Pojava pojasnog jaza je prilično neuobičajena za optiku, čije prisustvo znači da u datom rasponu frekvencija fotoni ne mogu slobodno da se šire duž lanca. Gornje rezonovanje se prirodno generalizira na dvo- i trodimenzionalne strukture. Treba samo napomenuti da razmaci između mikrorezonatora moraju biti dovoljno mali, a indeks prelamanja medija koji ispunjava međušupljinski prostor također mora biti mali tako da u njemu ne mogu boraviti fotoni zabranjenog frekvencijskog područja.

Rice. 7. Gustine fotonskih stanja fotonskog kristala.
Područje između w 1 max i w 2 min odgovara razmaku pojasa, i w d - defekt kristala
(vidi sliku 10 ispod).

Slika 7 šematski prikazuje gustinu fotonskih stanja g( w) za razmatrani model. Širina zone je veća što je veći odnos n 1 /n 2 . Moguće je odabrati period strukture i vrijednosti n 1 i n 2 na način da je pojas u IC opsegu, a da bi u vidljivom području bio vrh gustine fotona države. Takav fotonski kristal bi bio idealan materijal za termalni izvor svjetlosti. Posebno je zanimljiv u tom pogledu metalni fotonski kristal - periodična struktura napravljena od metala sa visoke temperature topljenje (na primjer, volfram), uronjeno u prozirni dielektrični medij ili zrak. Sličan sistem je nedavno nezavisno predložila grupa italijanskih i ruskih istraživača iz istraživačkog centra FIAT i američki naučnici iz laboratorije Sandia. Prema proračunima američkih naučnika, upotreba fotonskog kristala volframa može povećati efikasnost žarulje sa žarnom niti od 5 do 60%. To bi dovelo do ogromnih ušteda u troškovima energije i rasvjete, a uz to bi se smanjilo opterećenje okoliša zbog beskorisnog grijanja. okruženje. Osim toga, upravljanjem spontana emisija atoma i molekula, moguće je poboljšati parametre optoelektronskih izvora i lasera. Napominjemo i zanimljivu eksperimentalnu činjenicu koju su otkrili istraživači iz Sandije: fotonski kristal pretvara upadno infracrveno zračenje u vidljivu svjetlost, što je vrlo korisno za povećanje efikasnosti solarnih ćelija. Konačno, fotonski kristal se može koristiti kao širokopojasni svjetlosni filter (slika 8).

Postoji određena suptilnost u konceptu pojasnog razmaka fotonskog kristala – centralnog u ovoj raspravi. Kao što je već spomenuto, postoje tri vrste fotonskih kristala - 1D, 2D i 3D kristali. Ukupni pojas za fotone postoji samo u trodimenzionalnim fotonskim kristalima. Riječ “kompletan” znači da se širi pojas realizuje za proizvoljne orijentacije valnih vektora, tj. za fotone koji se šire u proizvoljnom pravcu (slika 9a). U dvodimenzionalnim i jednodimenzionalnim fotonskim kristalima, jaz u pojasu postoji samo za fotone koji se šire pod određenim solidnim uglom, koji je prilično širok u prvom i mnogo manji u drugom (slika 9b). Unatoč „inferiornoj“ prirodi takvih zona, one su također zanimljive za primjenu, budući da imaju mnogo karakteristične karakteristike potpuni jaz u pojasu.

Rice. 9.Šematski prikaz procesa širenja svjetlosti iz tačkastog izvora,
nalazi se u fotonskom kristalu s punim (a) i djelomičnim (b) pojasevima.

Poznato je da defekti u kristalima, kao što su praznine, strani atomi i dislokacije, mogu dovesti do pojave dozvoljenih nivoa u pojasu pojasa. Slični nivoi odgovaraju lokalizovanim stanjima elektrona. Slična situacija se ostvaruje u fotonskim kristalima. Slobodna radna mjesta također mogu djelovati kao nedostaci; prazni elementi u rešetki, ili elementi ispunjeni materijalom s različitim indeksom prelamanja. Ove vrste defekata nazivaju se tačkastim defektima, ali u stvari su to mikrošupljine ili mikrošupljine koje mogu uhvatiti ili lokalizirati fotone i od velikog su interesa za stvaranje efikasnih točkastih izvora svjetlosti, posebno lasera s niskim pragom generiranja. Postoje i linearni defekti, koji su, na primjer, filamentarne šupljine unutar fotonskog kristala. Za razliku od točkastih defekata, linearni defekti mogu provoditi svjetlost duž sebe (slika 10). U stvari, oni su optički talasovodi: čak i ako su jako savijeni, takvi defekti će biti idealni provodnici fotoni - oni "vode" svetlost bez gubitka! Nije iznenađujuće što im se posvećuje toliko pažnje u optičkoj komunikacijskoj tehnologiji.

Rice. deset. 2D fotonski kristali. Kanali za vođenje svjetlosti i optička vlakna.

Analogija između kvantnog ponašanja elektrona u poluvodičima i fotona u kristalima ima rigorozno matematičko opravdanje: nakon jednostavnih transformacija, Maxwellove jednačine se mogu predstaviti u obliku koji je formalno identičan Schrödingerovoj jednačini za talasnu funkciju elektrona. Upravo je ova analogija, na koju je Jablonovič skrenuo pažnju, postala izvor mnogih ideja u razvoju fizike fotonskih kristala. Štaviše, pokazalo se da su procesi u fotonskim kristalima podložni kompjuterskim proračunima sa mnogo većim stepenom pouzdanosti od odgovarajućih problema za elektrone u kristalu. To je zbog jedne od fundamentalnih razlika između fotona i elektrona - elektroni imaju mnogo jaču interakciju između sebe od fotona. Dakle, “elektronski” problemi zahtijevaju uzimanje u obzir višeelektronskih efekata, koji uvelike povećavaju dimenziju problema, što često prisiljava korištenje nedovoljno kontroliranih aproksimacija, dok u fotonici ova poteškoća praktično ne postoji.

Kako se prave fotonski kristali

Proizvodnja fotonskih kristala za vidljivi opseg talasnih dužina (slika 11) je veoma velika težak problem, pošto konstanta rešetke takvog kristala treba da bude uporediva sa talasnom dužinom svetlosti, tj. leže u submikronskom području. Podmikronsko područje sada aktivno istražuje mikroelektronika zasnovana na planarnoj tehnologiji, ali ovdje govorimo o stvaranju već trodimenzionalnih periodičnih struktura sa submikronskim periodom. Podsjetimo da je ova dužina više od 100 puta manja od prečnika ljudske kose. Trenutno postoje dva načina za proizvodnju fotonskih kristala. Prvi, koji se ponekad skraćeno naziva “top-down”, baziran je na litografiji, koja se široko koristi u mikroelektronici za proizvodnju poluvodičkih integriranih kola. Ova složena metoda, koja zahtijeva vrlo skupu opremu, ali je istovremeno vrlo precizna i fleksibilna, u principu omogućava stvaranje proizvoljnih struktura i svakako je obećavajuća. Ovdje su nedavno postignuti impresivni rezultati. To uključuje gore spomenute metalne (volframove) fotonske kristale s vrlo širokim ukupnim pojasom u rasponu od 8 do 20 μm. Period 3D fotonskog kristala bio je 4,2 µm, debljina elemenata 1,2 µm. Za stvaranje fotonskog kristala sa razmakom u pojasu koji se nalazi direktno pored vidljivi domet, potrebno je ići u nanometarsko područje.

Rice. jedanaest. Tipične strukture 3D fotonskih kristala.

Drugi način - "odozdo prema gore" baziran na spontanoj kristalizaciji koloidne otopine malih čestica i nazvan samosastavljanjem, omogućava brzu i relativno jednostavnu metodu proizvodnje fotonskih kristala. Metoda samomontaže se uglavnom koristi za stvaranje dielektričnih fotonskih kristala. Na primjer, u prvoj fazi iz koloidne otopine se samosastavljanjem iz polimernih ili kvarcnih (SiO 2 ) mikrosfera uzgaja trodimenzionalna periodična struktura, koja se dalje koristi kao matrica za proizvodnju periodičnog optičkog medija sa određenim parametrima. . U narednim fazama, praznine matrice se popunjavaju materijalom sa visokim indeksom prelamanja, nakon čega se mikrosfere uklanjaju hemijskim jetkanjem, što rješava problem.

Nedostaci metode uključuju mali izbor tipova periodičnih struktura (matrica) dobijenih. Osim toga, prilično je teško riješiti se nasumičnih defekata koji „kvare“ jaz u pojasu, ali nije lako stvoriti umjetne strukturne defekte koji modificiraju traku na željeni način. Međutim, poslednjih godina Ya. Vlasov i njegove kolege iz IBM-a su dokazali da se ove prepreke mogu prevazići. Izrasli su veliki (veličine oko 1 cm) i vrlo savršeni fotonski kristali na površini silicijuma, jasno pokazujući prisustvo jaza u pojasu u njima. Štaviše, naučnici su naučili da na njima formiraju veštačke nedostatke. Sve ovo, kao i činjenica da se fotonski kristali uzgajaju na površini silicijuma, glavnog materijala mikroelektronike, veoma ohrabruje. Štaviše, priroda je već radila u tom pravcu.

Nedavno su fizičari iz Sankt Peterburga i Minska pronašli zanimljive i duboke analogije u svojstvima (ponašanju) fotonskih kristala i prirodnog minerala - opala, koji se takođe sastoji od gusto zbijenih kvarcnih sfernih čestica, iako nema pravilnu periodičnu strukturu. . Opali su odavno poznati po svojoj divnoj igri boja, koja, kao u fotonskom kristalu, nastaje difrakcijom svjetlosti na strukturi kvarcnih sfera.

Australijski naučnici sa Univerziteta u Sidneju otkrili su da se fotonski kristali nalaze u živom svetu, odnosno u morskom crvu koji živi u relativno dubokim morske vode. Morski crv je prekriven “krznom” od iglica jarke prelive boje, koje svjetluca i igra ovisno o kutu upada svjetlosti i ugla posmatranja (sl. 12, a, b, c).

Rice. 12. morski crv Rod afrodita(a), njegove prelive iglice (b, c)
i sliku poprečnog presjeka igle u skenirajućem elektronskom mikroskopu (d).

Istraživanja pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa otkrila su prisustvo 2D periodične strukture u iglama (slika 12d), vjerovatno sa nepotpunim razmakom pojasa. Ovdje je, baš kao i kod opala, igra boje određena difrakcijom svjetlosti na složenoj mikrostrukturi, a ne disperzijom koeficijenata apsorpcije i refleksije na određenim bojama.

Neki leptiri (npr. morpho rhetenor, Južna Amerika) iridescentna obojenost krila je takođe posledica difrakcije svetlosti na mikrostrukturi ljuski njihovih krila (slika 13).

Rice. 13. Leptir Morpho rhetenor i detalji o odabranom dijelu njegovog krila.

Ova otkrića su inspirisala istraživače iz Marseja i Amsterdama da razviju nove vrste tkanina, čiju boju stvaraju ne samo određeni pigmenti, već i posebno dizajnirana mikrostruktura; privlače i inženjere iz automobilske industrije. optički efekti, karakterističan za 2D fotonske kristale, može se tražiti i u spektru refleksije svilenih tepiha koje su izradile vješte majstorice iz Kerouana (Tunis). Gustina čvorova u njima je oko 106 m–2, a njihova boja sjajno i bizarno svjetluca na suncu kada se ugao upada svjetlosti promijeni. Ovdje, očigledno, nije stvar samo u pigmentu, već iu difrakciji svjetlosti.

Ali da se vratimo problemima fotonike. Ako želimo obraditi informacije i prenijeti ih pomoću fotona, baš kao što elektroni rade za nas, moramo naučiti kako kontrolirati fotone na neki način. Iako nemaju električni naboj, već je prisutna polarizacija, tj. orijentacija njihovog elektromagnetnog polja, daje nadu u uspjeh.

Put do kontrole polarizacije

Sa kvantnomehaničke tačke gledišta, koncept polarizacije svetlosti povezan je sa prisustvom spina u fotonu. Fotoni, kao čestice sa nultom masom mirovanja, mogu biti u dva stanja sa vrijednostima momenta ±ć, usmjerenih duž momenta kretanja fotona; takvi fotoni imaju kružnu polarizaciju: lijevo (kvantni broj

m = +1) ili desno (m = –1). Eliptički polarizovani fotoni su u stanju koje se sastoji od stanja sa m = ±1; za linearnu polarizaciju, superpozicija ovih stanja je takva da je prosječna projekcija impulsa na smjer kretanja nula.

Dakle, foton je sistem na dva nivoa, tj. sistem opisan kvazi-spinom S q = 1/2, čiji je smjer u prostoru određen polarnim ( a) i azimutalni ( b) uglovi. Drugim riječima, skup polarizacijskih stanja je jedinstveno preslikan na skup pravaca datih uglovima a i b, ili, ekvivalentno, skupu tačaka koje pripadaju nekoj sferi, koja se u optici naziva Poincaréova sfera, a u kvantna fizika- Blohova sfera.

Za slobodni foton, stanja m = +1 i m = = –1 imaju iste energije (frekvencije). U kvantnoj mehanici ova situacija se naziva degeneracija. Degeneracija se može ukloniti pomoću vanjskog magnetskog polja usmjerenog duž valnog vektora (pretpostavlja se da se foton širi u mediju s indeksom loma n): u polju će se komponente sa m = ±1 širiti različitim brzinama:

u ± = (c/n)(1 ± Q). (četiri)

Kao rezultat toga, kružno dvostruko prelamanje (žirotropija) medija odvija se u magnetskom polju. Magneto-optički parametar Q, proporcionalan magnetnom polju u nemagnetnim medijima, ima tipičnu vrijednost od ~10 –6 -10 –4 . U magnetnim materijalima, parametar Q je različit od nule čak i u odsustvu polja i dostiže vrijednosti od 10–3 -10–1.

U ovom slučaju, dobro poznati Faradayev efekat se posmatra eksperimentalno; rotacija ravni polarizacije linearno polarizovane svjetlosti dok se širi u mediju duž magnetskog polja. Njegov ugao rotacije (Faradayev ugao) je jednak

q F = ( w/c)nQL = 2 str LQ/ l, (5)

gdje je L dužina uzorka, l= c/ w n je talasna dužina fotona u mediju. Ovako se ponaša slobodni foton u magnetnom polju.

Faradayev efekat je jedan od najvećih efikasne metode kontrola svojstava fotona. Već se široko koristi u laserskoj tehnologiji, informatici i drugim poljima. Kako se to manifestuje u slučaju zarobljenih fotona?

Ponašanje zarobljenog fotona u magnetnom polju značajno se razlikuje od prethodno opisanog. Prije svega, napominjemo da prisustvo geometrijskog okvira koji ograničava kretanje fotona, samo po sebi, po pravilu, uklanja degeneraciju stanja m = ±1 fotona. Razmotrimo, na primjer, širenje fotona u tankom filmu koji se sastoji od prozirnog materijala s indeksom prelamanja n. U ovom slučaju, stanja sa m = ±1 dijele se na način da postoje

dva različito polarizovana moda TE i TM, čije su brzine širenja različite - u TE i u TM . U prvom modu, električno polje je usmjereno okomito na smjer kretanja fotona, a u drugom magnetsko polje. Elektromagnetno polje u takvom talasovodu može se predstaviti kao superpozicija dva bliska TE i TM moda.

Što se tiče slobodnog fotona, magnetsko polje (ili vektor magnetizacije prozirnog magnetskog materijala) usmjereno duž valovoda uzrokuje prijelaze između modova. Na primjer, ako TE mod uđe na "ulaz" prozirnog dielektričnog valovoda, tada zbog žirotropije inducirane magnetskim poljem, on postepeno (kako se širi) prelazi u TM mod (ali obično ne u potpunosti), a zatim natrag u TE mod itd. Ovako se Faradayev efekat ostvaruje u filmskom talasovodu. Efikasnost konverzije je prirodno ograničena koeficijentom apsorpcije svjetlosti i cijepanjem TE i TM moda, tj. razlika između u TE i uu TM . Što je veća vrijednost cijepanja, to je niža efikasnost konverzije modova, tj. što je manja rezultujuća vrednost ugla rotacije ravni polarizacije svetlosti.

Sličan mehanizam Faradejevog efekta - konverzija TEY TM modova - realizuje se u dvodimenzionalnim fotonskim kristalima. Kao i kod talasovoda, da bi se postigla maksimalna veličina Faradejevog efekta (ili maksimalna efikasnost kontrole svetlosti), potrebno je uskladiti TE i TM modove, tj. približavaju njihove fazne brzine.

U fotonskim kristalima, javlja se još jedna zanimljiva prilika da se pojača Faradayev efekat. Kao što smo pokazali, za to je potrebno „raditi“ na granici između dozvoljenih i zabranjenih zona, gde se talasi koji se šire kritično usporavaju, što dovodi do povećanja odgovarajućih efekata usled povećanja talasnog kristala. vrijeme interakcije.

Kvantnomehanička analogija

Skreće se pažnja na vrlo blisku analogiju između razmatrane slike ponašanja fotona u talasovodu i dvostepenog sistema kvantne mehanike. Važna karakteristika sistema na dva nivoa je kvazi-spin S q (ili Blohov vektor). Dinamika Sq određena je jednostavnom jednadžbom: ¶ S sq / ¶ t = , (6)

gdje je A ef efektivno polje koje djeluje na kvantni sistem. Jednačina (6) opisuje kretanje vektora S kv duž Blochove površine. Jednadžba za kvazi-spin, koja opisuje foton u talasovodu ili periodičnoj sredini, izgleda kao (6), ali umjesto vremena, trebate koristiti koordinate duž putanje širenja fotona:

¶ S sq / ¶ x = , (7)

gdje je F eff efektivno polje koje djeluje na spin fotona. Razlika je u tome što kvantna elektronika koristi polja koja zavise od

na vremenu, au fotonici - na prostornim koordinatama. Ova kvantno-mehanička "spin" analogija je zabilježena i potkrijepljena otprilike u isto vrijeme kao i Yablonovichova analogija, koja je dovela do stvaranja fotonskih kristala. Logično je očekivati ​​da kvantni efekti dobro poznati za sisteme na dva nivoa, kao što su nutacija, p-puls, Han eho i drugi, imaju prostorne analoge za foton koji se širi u posebno kreiranim prostornim strukturama kao što su fotonski kristali. Je li stvarno?

Jednačina (7) daje ključ za postizanje maksimalne efikasnosti konverzije modova u magnetnim talasovodima, kao što se u kvantnoj elektronici, korišćenjem tzv. p-pulsa, rešava sličan problem - inverzija populacije dvostepenog sistema. Razmotrimo harmonijsku modulaciju magnetnog polja koje postoji u talasovodu (u magnetskom materijalu takva modulacija se može stvoriti pobuđivanjem stojećeg magnetostatskog talasa u njemu). Ako je modulacija talasne dužine a i razlika između talasnih vektora TE i TM talasa D k su konzistentne, tako da a D k = 2 str, tada se rotacija Blochovog vektora preko sfere (slika 14) odvija praktično duž meridijana, a stepen konverzije moda (ili Faradejev ugao rotacije) linearno zavisi od talasne dužine prostiranja talasa. Za potpunu konverziju, na primjer TE® TM, ili obrnuto, dovoljna je dužina na kojoj se vektor S kv preorijentiše sa sjevernog pola na južni, ili obrnuto, tj. pod uglom preorijentacije S kv jednakim str. U praksi se obično koriste talasovodi sa naizmeničnim smerom magnetizacije (slika 15), koji se mogu izabrati na način da se postigne preorijentacija Sq između severa i južni polovi sfere (slika 14), tj. sa 100% konverzijom mod.

Rice. četrnaest. Slika na Poincaré sferi procesa konverzije modova u talasovodima s naizmjeničnom promjenom smjera magnetizacije. Isprekidana linija prikazuje putanju Blochovog vektora za harmonijsku raspodjelu magnetizacije.

Postoji i analog spin eha. američki fizičar E. Khan, koji ima čast da otkrije ovaj fenomen, ponudio je njegovo figurativno objašnjenje. Neka linija trkača počne na stadionu u trenutku t = 0, a zatim svako trči svojom, ali konstantnom brzinom. Nakon nekog vremena, zbog razlike u brzinama, linija se raspada duž trake za trčanje. Ako u to vrijeme t dati znak da se trkači okreću i trče nazad, a zatim će u trenutku 2t ponovo formirati liniju na startu. Ulogu trkača u spinskoj rezonanciji imaju momenti spina čestica koje precesiraju („trče“) oko magnetnog polja sa nešto različitim frekvencijama. Spin echo se široko koristi u kvantnoj elektronici.

Rice. petnaest. Magneto-optički talasovodi sa naizmeničnom promenom smera magnetizacije u talasovodnom filmu duž x ose (a) i duž x i z ose (b); strelice pokazuju smjer magnetizacije.

Sličan eksperiment se može izvesti sa fotonima. Razmotrimo šemu eksperimenta prikazanu na slici 16a. Elementi U i V su dva identična dvolomna kristala jednake debljine. Neka polikromatski svjetlosni snop padne na ulaz u medij U, linearno polariziran pod uglom od 45° prema x i y osi kristala. Na izlazu iz kristala U, svaka spektralna komponenta snopa će u opštem slučaju imati eliptičnu polarizaciju. Cijeli svjetlosni snop kao cjelina će biti depolariziran zbog disperzije. Ovo stanje polarizacije je analogno potpunom gubitku makroskopskog magnetnog momenta prije udara drugog impulsa u Hahn eho fenomenu. Ako se osi kristala V zarotiraju za 90° u odnosu na ose kristala U, tada će rezultat širenja svjetlosti u drugom kristalu biti potpuna obnova stanja polarizacije svjetlosti na izlazu iz kristala. V, tj. polihromatski snop će ponovo biti linearno polarizovan.

Rice. 16. Geometrija eksperimenta na promatranju prostornog fotonskog eha; opšta šema (a), kada se koristi elektrooptički kristal (b) i na anizotropnim optičkim talasovodima (c) .

Elektro-optički kristali se takođe mogu koristiti za posmatranje efekta. Ulogu elemenata U i V tada mogu igrati odvojeni dijelovi istog kristala, ako se na njih primjenjuje električno polje u međusobno okomitim smjerovima (slika 16b). Sličan efekat je moguć i kod anizotropnih optičkih talasovoda, u kojima su TE i TM modovi spregnuti (slika 16c). U slučaju optičkih talasovoda, efekat će biti izražen zbog jake disperzije, a eksperiment se može izvesti u uskom spektralnom opsegu.

* * *

Završio bih članak jednom dobro poznatom istorijskom anegdotom. Engleska kraljica, pošto se upoznala sa Faradejevim otkrićima u oblasti elektromagnetizma, upitala ga je o njihovoj praktičnoj upotrebi. Na to je Faraday odgovorio: "Vaše Veličanstvo, šta možemo reći o budućim dostignućima novorođenčeta?"

11. Zvezdin A.K. Kratka saopštenja o fizici FIAN. 2002. V.12. str.37-50.

12. Klyshko D.N. Fizičke osnove kvantne elektronike. M., 1986.

13. Zvezdin A.K., Kotov V.A. Magneto-optika tankih filmova. M., 1988; Zvezdin A.K., Kotov V.A. Moderna magnetooptika i magnetooptički materijali // IOP Publishing. 1997. Bristol i Philadelphia.

14. Ahmediev N.N., Zvezdin A.K.// Optika i spektroskopija. 1989. V.65. str.487-489.