以倏逝场耦合的纳米结构中的波包传播

Evanescent field is a type of field that the amplitude decays exponentially with the distance. It has important application in electro-optics devices, such as quantum tunneling devices, semiconductor quantum wells and superlattices, optical waveguides, and so on. This project will explore the physical origin of the evanescent field from the angle of interaction of particles with fields. Based on the quantum mechanics theory and electromagnetic theory, we will establish the equations for coupled-waves. By solving the equations analytically and numerically, we determine the states of the systems and the properties of transmission when the evanescent field is present. We will attempt to break through the limit of the current quantum theory to search nonlinear equations which contain the couple of particles with fields in the mesoscopic structures of nanosizes, and introduce some new concepts and new theoretical methods such that they can consistently bridge the classical physics and quantum theory. Based on the theoretical study we will design microstructures in which the elements are coupled by the evanescent fields, such as semiconductor multi-quantum-well, photonic crystals containing metamaterials, modulated band-gap structures of graphene nanoribbons, and study the propagation of packet waves in the microstructures, in order to establish the physical base in the design of high quality electro-photo devices with high response speed, high sensitivity, high fidelity, low noise, low dissipation.

倏逝场是场的振幅以指数形式随距离衰减的场，在量子隧道器件、半导体量子阱与超晶格、光波导等光电器件中有重要应用。本项目拟从粒子与场的相互作用的角度来探索形成倏逝场的物理起源。以现有的量子力学理论和电磁场理论为基础，建立粒子与场相互作用的耦合波方程，通过解析的方法和数值计算的方法求解方程，确定有倏逝场存在时体系所处的状态与传输特性。我们将在纳米尺度的介观结构中，突破现有的线性量子力学理论的框架，寻找能包含粒子与场耦合的非线性方程，探索性地引入一些新的概念和建立新的理论方法使之能在介观尺度下自洽地衔接经典理论与量子理论。在此基础上，设计一些通过倏逝场耦合的人工微结构，例如，半导体多量子阱结构、包含特异材料的光子晶体、能带受到调制的周期性石墨烯纳米条带等等，研究其中的电子输运和波包的传播，为制备高速响应、高灵敏度、高保真、低噪声、低耗散的光电器件奠定物理基础。

在光子晶体、声子晶体、石墨烯纳米条带等人工周期性结构中存在带隙，能量或频率落入带隙中的波为倏逝场。本项目主要完成的工作可归纳为四个方面：.第一、以倏逝场耦合的多波导系统的电磁波和声波传播特性研究。发现通过调整表面波导与内波导结构参数，使得两者的等效折射率曲线和波导色散曲线匹配，可以实现高效率的耦合。在通过倏逝场耦合的多路声子晶体波导中存在多模干涉和自映像现象，可用于功率分束等声波控制系统。准晶结构光声子晶体(phonxonic crystal)中的存在丰富的局域模式。这些在同一区域中电磁波和弹性波的局域化可以增强电磁波与弹性波的相互作用。.第二、光子带隙结构的限制效应及应用的研究。利用传输矩阵方法及Bloch定理得到了光入射到半无限周期结构的反射系数的计算公式。对正负折射率材料光子晶体的计算表明，适当选择介电函数和磁导率，传输矩阵为单位矩阵，出现零反射。由特异材料组成的尺寸渐变的多个光学腔耦合可以形成振荡的周期可达到微秒量级的光学Bloch振荡。在引力波作用下光子带隙将变成动态的，可以使Hartman效应消失。这一结果为引力波的探测提供了一种新的思路。用石墨烯来替代半导体量子阱构成多层Bragg散射结构并施加外磁场，能更有效地实现更低的群速度。.第三、石墨烯基人工微结构中的电子输运特性研究。可利用电子自旋与等效交换场的相互作用以及外场的作用形成超晶格势，自旋相关的克莱因隧穿使得磁阻具有周期振荡特征，而且比Rashba自旋轨道耦合调制的石墨烯的磁阻更大，还可以利用费米速度来调节自旋输运。.第四、石墨烯微结构中的光电耦合的研究。由于石墨烯的光电导依赖于Fermi能级的位置，而Fermi能级可以通过外加电场来控制，因此可以通过外加电场来来调控光电耦合, 特别是控制石墨烯基的纳米结构的光吸收。此外，我们还研究了通过倏逝场耦合的两层石墨烯之间的量子摩擦问题。发现摩擦系数与化学势、温度、衬底的介电常数以及两层石墨烯之间的距离密切相关。