Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Физика наносистем: Нанофизика: Фотонные кристаллы

Рис.1
Рис.2
Рис.3

Фотонные кристаллы являются средой, в которой созданы искусственные оптические неоднородности. Характерная длина неоднородностей («период оптической сверхрешётки») обычно на порядки больше периода решётки несущего кристалла. Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в решетке обычного кристалла.

В вакууме и в обычных средах фотоны движутся с большими скоростями, и если мы пытаемся их «остановить», то они поглощаются, т.к. вся их энергия связана с движением. Но в фотонных кристаллах ситуация иная. Свободные фотоны превращаются в квазичастицы, образованные когерентным взаимодействием света с кристаллом – их иногда называют тяжелыми фотонами (heavy photons). Явление захвата, или пленения (confinement), излучения давно знакомо оптикам по ряду эффектов, наблюдавшихся в спектрах газового разряда. Однако захват излучения в фотонных кристаллах является принципиально новым явлением, так как происходит без многократного поглощения и испускания фотонов. Оно здесь невозможно в силу определенных соотношений между параметрами фотонных и электронных энергетических зон. Перенос излучения при его пленении в фотонном кристалле носит упорядоченный характер, существенно отличаясь от известного ранее хаотического движения в газовой среде.

Какие существуют теоретические подходы к описанию фотонных кристаллов и тяжёлых фотонов? (1 балл). В чём принципиальные отличия одномерных, двумерных и трёхмерных фотонных кристаллов? (1 балл). Что такое «фотонная запрещённая зона», и чем определяются её границы (приведите определение, формулы и пояснения) (2 балла).

Проводя аналогию между тяжёлыми фотонами и электронами, фотонные кристаллы можно разделить на проводники, полупроводники, изоляторы и сверхпроводники. Фотонная «сверхпроводимость», в отличие от электрической, не представляет больших трудностей.

Нарисуйте схему взаимного расположения фотонных и электронных энергетических (разрешённых) зон в фотонном проводнике, полупроводнике, изоляторе и сверхпроводнике (1 балл).

Использование фотонных полупроводников удобно для организации управления световыми потоками. Это можно делать, например, влияя на положение и ширину электронных и фотонных запрещённых зон. Поэтому фотонные кристаллы сулят большие возможности для создания фотонных диодов, транзисторов, логических элементов, лазеров нового типа, оптических компьютеров, хранения и передачи информации.
Объясните возможное устройство и принцип работы фотонного диода и фотонного транзистора. Фотонный диод – элемент, пропускающий свет в одном направлении и не пропускающий в другом. Какие преимущества имеют эти устройства перед электронными аналогами? (3 балла).

Еще одна возможность, предоставляемая фотонными кристаллами, – создание нового типа волноводов. Радиус изгиба обычного стекловолокна не может быть очень маленьким, иначе свет покинет волновод. Поэтому для изменения направления движения волны, например, на угол 90 градусов требуется расстояние порядка десяти длин волн (рис. 2). А в волноводе из фотонных кристаллов потребуется расстояние порядка одной длины волны и даже меньше (рис. 3). Это позволяет эффективно увеличивать плотность элементов фотонных систем.

Объясните, за счёт чего достигается этот эффект. Перечислите способы управления распространением фотона в фотонном кристалле (3 балла).

В работах, выполненных в исследовательских центрах Гарвардского университета, сообщалось об "остановке" света. Волновой цуг, занимающий в вакууме несколько километров, был сжат до размеров в несколько миллиметров, что соответствует снижению групповой скорости света до сотни метров в секунду. Экспериментаторы записывали во входном световом сигнале информацию с частотой модуляции 1 кГц, а затем восстанавливали ее из сжатого состояния. Таким образом, было непосредственно продемонстрировано создание элементов памяти на тяжелых фотонах.
Каково предельно возможное снижение скорости фотона в фотонном кристалле, и какова предельная плотность записи информации указанным способом (в битах)? (2 балла).

Технология фотонных кристаллов позволяет создавать вещества с отрицательным показателем преломления. Такие материалы открывают путь к созданию новых уникальных оптических приборов. Английский физик Джон Пендри показал, что возможно создание "суперлинзы", которая будет фокусировать свет в область, размером в сотни раз меньшую, чем длина волны падающего света.

Чем обусловлен отрицательный показатель преломления материала с физической точки зрения, и как можно создать такие материалы на практике? (4 балла). Нарисуйте схему распространения света в «суперлинзе». Возможно ли создать аналог «суперлинзы» из материалов с положительным показателем преломления? (1 балл).

Какие явления могут произойти, если фотон будет сфокусирован в область, в сотни раз меньшую длины его волны? (2 балла).

Что изменится, если размеры субмикронных элементов в этой задаче уменьшить до размеров квантовых точек (5 баллов)?

Прим.: Ваша версия решения или КРИТИЧЕСКОГО обсуждения задачи будут равноправно рассмотрены.

 

Прикрепленные файлы:
ph2.doc (97.50 Кб.)

 



Решение

Золото Маккенны
Золото Маккенны

Наносистемы: физика, химия, математика (2024, Т. 15, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume15/15-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.