Optyka kwantowa wprowadzenie

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

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

K gęstość widmowa (spektralna) energii: 12 Classical theory (5000 K) 10 Rozbieżność w obszarze krótkich fal (katastrofa w nadfiolecie)

Optyka klasyczna. Optyka kwantowa wprowadzenie. Światło fala elektromagnetyczna. Optyka falowa. Klasyczny obraz światła

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Kwantowa natura promieniowania

Podstawy fizyki kwantowej

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Własności światła laserowego

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Podstawy fizyki kwantowej

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Podstawy fizyki kwantowej. Nikt nie rozumie fizyki kwantowej R. Feynman, laureat Nobla z fizyki

Podstawy fizyki kwantowej

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Wstęp do optyki i fizyki materii skondensowanej. O: Wojciech Wasilewski FMS: Mateusz Goryca

Falowa natura materii

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Ponadto, jeśli fala charakteryzuje się sferycznym czołem falowym, powyższy wzór można zapisać w następujący sposób:

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Światło fala, czy strumień cząstek?

Fizyka klasyczna. - Mechanika klasyczna prawa Newtona - Elektrodynamika prawa Maxwella - Fizyka statystyczna -Hydrtodynamika -Astronomia

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

Właściwości światła laserowego

Informacje wstępne. Witamy serdecznie wszystkich uczestników na pierwszym etapie konkursu.

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017


Podstawy fizyki kwantowej

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Wykład FIZYKA II. 8. Optyka falowa

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

fotony i splątanie Jacek Matulewski Karolina Słowik Jarosław Zaremba Jacek Jurkowski MECHANIKA KWANTOWA DLA NIEFIZYKÓW

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Przedmiot: Fizyka. Światło jako fala. 2016/17, sem. letni 1

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

Widmo fal elektromagnetycznych

Wykład 7 Kwantowe własności promieniowania

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

Podstawy fizyki wykład 8

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Ćwiczenie 4. Doświadczenie interferencyjne Younga. Rys. 1

ZASADY PRZEPROWADZANIA EGZAMINU DYPLOMOWEGO KOŃCZĄCEGO STUDIA PIERWSZEGO ORAZ DRUGIEGO STOPNIA NA KIERUNKU FIZYKA

Promieniowanie cieplne ciał.

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Rozładowanie promieniowaniem nadfioletowym elektroskopu naładowanego ujemnie, do którego przymocowana jest płytka cynkowa

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Światło ma podwójną naturę:

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Podstawy fizyki sezon Dualizm światła i materii

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

Dział: 7. Światło i jego rola w przyrodzie.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 3. Pomiar drgao przy pomocy interferometru Michelsona

Rozmycie pasma spektralnego

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Fale materii. gdzie h= J s jest stałą Plancka.

FALOWY I KWANTOWY OPIS ŚWIATŁA. Światło wykazuje dualizm korpuskularno-falowy. W niektórych zjawiskach takich jak

Prawa optyki geometrycznej

Fizyka klasyczna i kwantowa. Krótka historia fizyki.

Pole elektrostatyczne

Podstawy fizyki kwantowej

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Fizyka 2 - pytania do wykładów (wersja r.)

Rysunek 3-19 Model ciała doskonale czarnego

Zagadnienie do ćwiczeń na 2 Pracowni Fizycznej Dr Urszula Majewska

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Podstawy inżynierii fotonicznej

Program nauczania dla szkół ponadgimnazjalnych z fizyki z astronomią o zakresie rozszerzonym K. Kadowski Operon 593/1/2012, 593/2/2013, 593/3/2013,

Zjawisko interferencji fal

Falowa natura materii

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

1. FALE ELEKTROMAGNETYCZNE: WŁASNOŚCI I PARAMETRY.

Treści nauczania (program rozszerzony)- 25 spotkań po 4 godziny lekcyjne

Transkrypt:

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

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 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 0.1 nm 1018 z E 400 nm X-rays 1 nm 1017 1016 500 nm Ultraviolet 100 nm 1015 Visible Near IR 1014 1000 nm 1 µm 600 nm B y Parametry: 10 µm Infra-red 10 13 Thermal IR 100 µm 1012 Far IR 1000 MHz 10 11 UHF 1 cm Microwaves 1010 500 MHz 1000 µm 1 mm Radar 10 cm 10 9 VHF 7-13 100 MHz Radio, TV FM VHF 2-6 50 MHz 1m 10 8 10 m 10 7 100 m 10 6 AM 1000 m Long-waves v x 10 nm 700 nm Polaryzacja liniowa kierunek drgań wektora Polaryzacja kołowa

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

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.

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

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

Krótka (pre-)historia fotonu (1900-1923) Własności światła i jego oddziaływania z materią, niedające się opisać w ramach fizyki klasycznej Promieniowanie równowagowe katastrofa w nadfiolecie Efekt fotoelektryczny Efekt Comptona

Promieniowanie równowagowe (termiczne) UV VISIBLE INFRARED 14 5000 K 12 Classical theory (5000 K) 10 katastrofa w nadfiolecie 8 6 Spectrum of Solar Radiation (Earth) 4000 K 4 2.5 UV 2 3000 K Visible 0 0.5 1 1.5 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) 2.5 1.5 3 Ideal blackbody (5250 C) 1 Sunlight at sea level H2O 0.5 O2 0 250 H2O H2O O3 500 750 Atmospheric absorption bands H2O 1000 1250 1500 Wavelength (nm) 1750 CO2 2000 H2O 2250 2500

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 14 5000 K 12 Classical theory (5000 K) 10 8 6 4000 K 4 Planck (1900): 2 można dostać dobry wynik, 0 0 jeśli założyć, że energia przydzielana jest w porcjach (kwantach). 3000 K 0.5 1 1.5 Wavelength (μm) 2 2.5 3

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

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 www.cobalt.chem.ucalgary.ca

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

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

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

Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

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

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?

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

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?

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.

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 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 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

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, 011107 (2010) Rezonator w postaci kolumny ze zwierciadłami Bragga (bragg-stack micropillar cavity) Trawiony mikro-dysk Michler et al., Science 290, 2282 (2000)