Излучение осциллирующего точечного диполя из металло-диэлектрических фотонно-кристаллических слоистых структур

На правах рукописиЛобанов Сергей ВладимировичИЗЛУЧЕНИЕ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ТОЧЕЧНОГО ДИПОЛЯ ИЗМЕТАЛЛО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХСЛОИСТЫХ СТРУКТУРСпециальность 01.04.07 ― физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква– 2013Работа выполнена на кафедре общей физики и физики конденсированногосостояния физического факультета Московского государственногоуниверситета имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Тиходеев Сергей ГригорьевичОфициальные оппоненты:Бушуев Владимир Алексеевич,доктор физико-математических наук, профессор,кафедра физики твѐрдого тела физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.ЛомоносоваПоддубный Александр Никитич,кандидат физико-математических наук,Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе РАН, научный сотрудникВедущая организация:Физический институт имени П.Н.Лебедева РАНЗащита состоится 19 июня 2013 г в 17 час.

00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 2, Физический Факультет, ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)Автореферат разослан 17 мая 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наукЛаптинская Т. В.Общая характеристика работыДиссертационная работа посвящена теоретическому исследованию излучения квантовых точек или молекул, расположенных в слоистых наноструктурахна основе диэлектриков, полупроводников и металлов. Особое внимание уделено изучению влияния наноструктурирования на время жизни возбуждённогосостояния квантового излучателя, диаграмму направленности излучения, радиационную эффективность, а также поляризацию излучения. Для моделированияраспространения света внутри наноструктуры использовался метод оптическойматрицы рассеяния, а для моделирования излучения квантовых точек или молекул — модель осциллирующего точечного диполя.Актуальность проблемы.

Вот уже несколько десятилетий интенсивноразвивается новая ветвь физики - нанофизика. Стало возможным создание наноструктур, размеры структуризации которых достигают нескольких десяткови даже единиц нанометров. Такие наноструктуры обладают многочисленнымиинтересными свойствами, в том числе оптическими. К таким структурам относятся, например, фотонные кристаллы, в которых возможно образование запрещённых зон для фотонов, что позволяет, например, замедлять радиационное излучение атомов из такой структуры [1].

Настоящий бум в исследованиифотонных кристаллов начался в последнем десятилетии прошлого века послеработ [2, 3]. Фотонные кристаллы представляют собой структуры, диэлектрическая проницаемость которых изменяется периодически. В зависимости от размерности структуризации они делятся на три типа: одномерные, двумерные итрехмерные (см. Рис. 1).Если уменьшить период фотонного кристалла до размеров много меньших длины световой волны, то мы попадём в область так называемых метаматериалов [4–7].

Благодаря маленькому размеру элементов (так называемыхмета-атомов [8]) свет взаимодействует с метаматериалом как с некоторым эффективным однородным материалом, свойства которого могут сильно отличаться от оптических свойств материалов, встречающихся в природе. Поэтому метаматериалы могут найти применение в оптических приборах для различныхприложений. Самым известным примером метаматериала является среда с отрицательным показателем преломления [9–12], которая теоретически позволяетсоздать совершенную линзу [4].

Другим примером применения метаматериаловявляется маскировочное устройство (плащ-невидимка), которое заставляет светогибать объект так, что он кажется невидимым [5].Модификацией фотонных кристаллов являются фотонные квазикристаллы [13–16]. В квазикристаллических структурах отсутствует периодичность, ноприсутствует дальний порядок. Благодаря этому они наряду с кристаллами об3Рис. 1: Слева направо схематически показаны одномерный, двумерный, трехмерныйфотонные кристаллы и фотонно-кристаллическая слоистая система.

Разные цветасоответствуют материалам с разными значениями диэлектрической проницаемости.ладают дискретной картиной дифракции, но в отличии от них могут иметь запрещённые (для кристаллов) типы симметрии.Другой модификацией фотонных кристаллов являются фотоннокристаллические слоистые системы [17–20] (см. Рис. 1). Эти наноструктурысостоят из нескольких квазиоднородных слоёв, в каждом из которых диэлектрическая проницаемость меняется периодически вдоль двух направлений и не меняется вдоль третьего направления. Пример фотонно-кристаллической слоистойсистемы, описанной в работе [21], показан на Рис. 2. Благодаря интенсивномуразвитию планарной технологии выращивания наноструктур физика фотоннокристаллических слоистых систем превратилась в одну из наиболее быстроразвивающихся областей современной физики.

Поэтому весьма важной и актуальной задачей является разработка методов теоретического описания свойствфотонно-кристаллических структур.Другой актуальной проблемой современной физики является изучениевлияния окружения на излучение квантовой точки или молекулы.

Начиная с пионерской работы Пурселла [22], эта проблема привлекает большое вниманиеисследователей. Так в данной диссертационной работе исследовано излучениеточечного излучателя из трёх различных структур — массива диэлектрических(полупроводниковых) наностержней, решётки металлических наноантенн ЯгиУда, и из полупроводниковой гетероструктуры в виде волновода с кирально модулированной верхней частью.

Эти задачи ранее не решались. Первая из них является модельной и необходима для проверки резонансного приближения [23].Вторая задача весьма актуальна, в связи с интенсивным обсуждением и созданием в последнее время наноантенн оптического диапазона [24–31]. Третья задачатакже интересна, поскольку в последнее время стала актуальной задача созданиякомпактных источников циркулярно поляризованного света [32–35]. Эти источники важны для многочисленных приложений таких, как спектроскопия кру4гового дихроизма, киральный синтез в биологии и химии, управление спиновым состоянием в квантово-информационной технологии, а также сверхбыстроеуправление намагниченностью.Целью данной работы является разработка и применение для конкретных моделей метода расчёта оптических характеристик излучения осциллирующего точечного диполя, расположенного в фотонно-кристаллической слоистойструктуре, в том числе металло-диэлектрической.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.

Разработать на основе метода оптической матрицы рассеяния способ вычисления диаграммы направленности, суммарной интенсивности и излучательной эффективности излучения осциллирующего точечного диполя,расположенного в фотонно-кристаллической слоистой системе.2. Разработать резонансное приближение для излучения осциллирующего точечного диполя, расположенного в фотонно-кристаллической слоистой системе.3. Исследовать излучение осциллирующего точечного диполя, расположенного в фотонно-кристаллическом слое диэлектрических наноколонн.4.

Исследовать излучение осциллирующего точечного диполя, расположенного в периодически упорядоченном массиве металлических (золотых) наноантенн Яги-Уда.5. Исследовать излучение случайно расположенных осциллирующих точечных диполей, помещённых в планарную полупроводниковую гетероструктуру, верхняя часть которой является киральным фотонным кристаллом.Основные положения, выносимые на защиту:1. Метод оптической матрицы рассеяния, использующий методы улучшениясходимости в виде правил факторизации и адаптивного пространственного разрешения, позволяет вычислить диаграмму направленности, интенсивность и излучательную эффективность излучения осциллирующего точечного диполя, расположенного в фотонно-кристаллической структуре, в томчисле металло-диэлектрической.2.

Резонансное приближение для расчёта излучения осциллирующего точечного диполя, расположенного в слоистой системе, эффективно в областичастот вблизи резонансной частоты.5Рис. 2: Схематическое изображение (слева) и электронные фотографии (справа)фотонно-кристаллической слоистой системы, состоящей из периодически упорядоченногомассива золотых наноантенн Яги-Уда [21].3. Основные особенности низкочастотного излучения осциллирующего точечного диполя, расположенного в фотонно-кристаллическом слое диэлектрических наноколонн можно объяснить, рассматривая простую модель взаимодействия диполя с резонансами Фабри-Перо собственных мод фотоннокристаллического слоя.

При этом суммарная интенсивность и диаграмманаправленности излучения сильно зависят от положения диполя, ориентации его дипольного момента и частоты колебаний.4. Система периодически упорядоченных золотых наноантенн Яги-Уда одновременно усиливает и позволяет перенаправить излучение осциллирующего точечного диполя. Это усиление сильно зависит от частоты колебаний,положения диполя и ориентации его дипольного момента.