Optyka kwantowa wprowadzenie

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Optyka kwantowa wprowadzenie"

Zofia Michalik
6 lat temu
Przeglądów:

1 Optyka kwantowa wprowadzenie Klasyczny obraz światła Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów O czym jest optyka kwantowa? Struktury półprzewodnikowe - zarys

2 Optyka klasyczna Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Światło jako fala elektromagnetyczna Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Rozpraszanie światła Zjawiska nieliniowe

Optyka falowa Opis i zastosowania fal elektromagnetycznych w zakresie widzialnym i bliskim widzialnemu Podstawowe zasady zasada superpozycji interferencja fal interferencja

3 Optyka falowa Opis i zastosowania fal elektromagnetycznych w zakresie widzialnym i bliskim widzialnemu Podstawowe zasady zasada superpozycji interferencja fal interferencja konstruktywna interferencja destruktywna zasada Huyghensa( Fresnela): Każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali, można uważać za źródło nowej fali kulistej Dyfrakcja

Wavelength Frequency (Hz) Światło fala elektromagnetyczna Gamma-rays Rozwiązanie równań Maxwella fala płaska 0.1 Å 1019 1Å 0.

4 Wavelength Frequency (Hz) Światło fala elektromagnetyczna Gamma-rays Rozwiązanie równań Maxwella fala płaska 0.1 Å Å 0.1 nm 1018 z E 400 nm X-rays 1 nm nm Ultraviolet 100 nm 1015 Visible Near IR nm 1 µm 600 nm B y Parametry: 10 µm Infra-red Thermal IR 100 µm 1012 Far IR 1000 MHz UHF 1 cm Microwaves MHz 1000 µm 1 mm Radar 10 cm 10 9 VHF MHz Radio, TV FM VHF MHz 1m m m 10 6 AM 1000 m Long-waves v x 10 nm 700 nm Polaryzacja liniowa kierunek drgań wektora Polaryzacja kołowa

5 Interferencja Interferometr Michelsona Interferencja konstruktywna lub destruktywna w zależności od różnicy dróg optycznych

6 Koherencja Idealna fala płaska: Rzeczywiste prążki: długość (droga) koherencji czas koherencji Naturalne światło składa się z krótkich pakietów falowych emitowanych przez różne atomy. Fazy fali w różnych pakietach są przypadkowe.

7 Koherencja Ilościowa miara koherencji funkcja korelacji 1. rzędu: (pole stacjonarne) Średnia po okresie i po zespole statystycznym Redukcja koherencji losowość fazy (światło chaotyczne) Widzialność prążków interferencyjnych

8 Długość koherencji a poszerzenie linii Poszerzenie Gaussowskie FWHM dla poszerzenia dopplerowskiego: Poszerzenie Lorentza

9 Krótka (pre-)historia fotonu ( ) Własności światła i jego oddziaływania z materią, niedające się opisać w ramach fizyki klasycznej Promieniowanie równowagowe katastrofa w nadfiolecie Efekt fotoelektryczny Efekt Comptona

10 Promieniowanie równowagowe (termiczne) UV VISIBLE INFRARED K 12 Classical theory (5000 K) 10 katastrofa w nadfiolecie 8 6 Spectrum of Solar Radiation (Earth) 4000 K UV K Visible Wavelength (μm) 2 Infrared 2 Sunlight without atmospheric absorption 2 0 Irradiance (W/m /nm) S p e c tra l ra d ia n c e (k W s r ¹ m ² n m ¹) Rozkład widmowy promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne (np. gwiazdy) Ideal blackbody (5250 C) 1 Sunlight at sea level H2O 0.5 O H2O H2O O Atmospheric absorption bands H2O Wavelength (nm) 1750 CO H2O

Promieniowanie równowagowe (termiczne) Mody drgań pola (fale stojące) Fizyka klasyczna zasada ekwipartycji energii: na każdy mod gęstość widmowa (spektralna) energii: S p e c tra l ra d ia n c e (k W

11 Promieniowanie równowagowe (termiczne) Mody drgań pola (fale stojące) Fizyka klasyczna zasada ekwipartycji energii: na każdy mod gęstość widmowa (spektralna) energii: S p e c tra l ra d ia n c e (k W s r ¹ m ² n m ¹) Rozbieżność w obszarze krótkich fal (katastrofa w nadfiolecie) UV VISIBLE INFRARED K 12 Classical theory (5000 K) K 4 Planck (1900): 2 można dostać dobry wynik, 0 0 jeśli założyć, że energia przydzielana jest w porcjach (kwantach) K Wavelength (μm)

12 Zjawisko fotoelektryczne (zewnętrzne) światło (fotony) elektrony wybite z metalu Klasycznie: Energia przekazywana elektronom jest proporcjonalna do natężenia światła. Energia elektronów powinna rosnąć z natężeniem wiązki metal (np. sód) światło kolektor emiter Powinno wystąpić opóźnienie związane z czasem przekazywania energii elektronom

13 Zjawisko fotoelektryczne (zewnętrzne) światło (fotony) elektrony wybite z metalu Fotoprąd rosnące natężenie światła Vs metal (np. sód) Vext światło rosnąca częstość światła emiter Fotoprąd kolektor Vs Vext Nie występuje opóźnienie emisji elektronów

14 Zjawisko fotoelektryczne (zewnętrzne) Einstein 1905 (Nobel 1921): Załóżmy, że światło realnie składa się z kwantów energii (fotonów) o energii Nie ma emisji elektronów, jeżeli Eksperyment: Milikan 1914 evs metal 1 metal 2 metal 3 -Φ1 -Φ2 -Φ3 Uniwersalne nachylenie

15 Efekt Comptona pr ga om m ie m ni a ow an ie Kątowa zależność długości fali promieniowania rentgenowskiego rozproszonego na atomach Dirk Hünniger, GFDL stu, CC-BY-SA faculty.gvsu.edu

16 Efekt Comptona Arthur Compton 1923 (Nobel 1927): Kwanty światła mają nie tylko energię, ale też pęd (mają naturę cząsteczkową) Analiza zderzenia doskonale sprężystego z elektronem stu, CC-BY-SA faculty.gvsu.edu

17 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

18 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

19 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

20 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t Tryb zliczania pojedynczych fotonów (Geigera) V SPAD t Dyskretne zdarzenia detekcyjne fotony?

21 Interferencja pojedynczych fotonów x b Klasyczny eksperyment Younga interferencja na przesłonie z dwiema szczelinami d a c S1 S2 F Powstawanie wzoru interferencyjnego z wiązki o małym natężeniu Dyskretne zdarzenia detekcyjne fotony?

22 Dyskretne zdarzenia detekcyjne = fotony? Wyobraźmy sobie, że światło jest falą z E v x B y Detektor: układ kwantowy w oscylującym polu elektrycznym periodyczne zaburzenie stany końcowe przejście kwantowe stan początkowy Przejście kwantowe sygnał detekcji Złota reguła Fermiego: Przejścia w losowych chwilach czasu Kolejne przejście (po relaksacji) niezależne od poprzedniego Sygnał detekcji: Proces Poissona V t

23 Skąd wiemy, że istnieją fotony? Klasyczne światło (fala) o małym natężeniu generuje ciąg przejść kwantowych na detektorze. Dyskretne zdarzenia detekcyjne nie dowodzą ziarnistej (cząsteczkowej) natury światła. Dlaczego więc sądzimy, że fotony istnieją?

24 Skąd wiemy, że istnieją fotony? Klasyczne światło (fala) o małym natężeniu generuje ciąg przejść kwantowych na detektorze. Dyskretne zdarzenia detekcyjne nie dowodzą ziarnistej (cząsteczkowej) natury światła. Dlaczego więc sądzimy, że fotony istnieją? Definicja (metafizyczna): Foton istnieje, jeśli wskażemy fakty obserwacyjne, które są sprzeczne z modelem falowym, a dają się wyjaśnić przy założeniu cząsteczkowej natury światła.

25 Skąd wiemy, że istnieją fotony? Klasyczne światło (fala) o małym natężeniu generuje ciąg przejść kwantowych na detektorze. Dyskretne zdarzenia detekcyjne nie dowodzą ziarnistej (cząsteczkowej) natury światła. Dlaczego więc sądzimy, że fotony istnieją? Definicja (metafizyczna): Foton istnieje, jeśli wskażemy fakty obserwacyjne, które są sprzeczne z modelem falowym, a dają się wyjaśnić przy założeniu cząsteczkowej natury światła (model fotonowy). Statystyczne własności wiązek świata Statystyka zdarzeń detekcyjnych Statystyka korelacji optyka kwantowa

Optyka kwantowa Rozwój historyczny: Koncepcja fotonu (1900-1920) Laser (1960): narzędzie umożliwiające generowanie nieklasycznych stanów światła i materii Nieklasyczne stany światła Szum

26 Optyka kwantowa Rozwój historyczny: Koncepcja fotonu ( ) Laser (1960): narzędzie umożliwiające generowanie nieklasycznych stanów światła i materii Nieklasyczne stany światła Szum sub-poissonowski pulse amplitude Anti-bunching Wölfl et al., J. Mod. Opt. 45, 1147 (1998) pulse area time Kwantowy opis oddziaływania światła z materią H. A. Gibbs, Phys. Rev. Lett. 29, 459 (1972); Phys. Rev. A 8, 446 (1973)

Kropki kwantowe Kropki kwantowe: niejednorodność

etching Samorosnące Heyn, et al., Appl. Phys. Lett.

27 Kropki kwantowe Kropki kwantowe: niejednorodność składu w półprzewodniku Otrzymane metodą droplet etching Samorosnące Heyn, et al., Appl. Phys. Lett. 94, 18 (2009). Fry et al. (2000) Huber et al. Nature Comm. (2017) + QD: wąska przerwa Matryca: szeroka przerwa Efektywny potencjał wiążący dla elektronów i/lub dziur

28 Elektrodynamika rezonatorów z kropkami Kropki kwantowe umieszczone w nanorezonatorach w celu zwiększenia emisji i poprawy wydajności zbierania sygnału CQED cavity quantum electrodynamics Heindel et al., Appl. Phys. Lett. 96, (2010) Rezonator w postaci kolumny ze zwierciadłami Bragga (bragg-stack micropillar cavity) Trawiony mikro-dysk Michler et al., Science 290, 2282 (2000)

Podobne dokumenty

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej Optyka kwantowa wprowadzenie Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej Krótka (pre-)historia fotonu (1900-1923) Własności światła i jego oddziaływania