月度归档:2018年05月

量子力学笔记

本科没有学过量子力学,最近看了网易公开课上的 斯坦福大学公开课:量子力学

后来找到了该课程是由Leonard Susskind 教授主持的 The Theoretical Minimum 讲座中的其中一讲旨在为具有微积分和一点代数知识的人,提供近代物理的入门知识。

Susskind教授说:

A number of years ago I became aware of the large number of physics enthusiasts out there who have no venue to learn modern physics and cosmology. Fat advanced textbooks are not suitable to people who have no teacher to ask questions of, and the popular literature does not go deeply enough to satisfy these curious people. So I started a series of courses on modern physics at Stanford University where I am a professor of physics. The courses are specifically aimed at people who know, or once knew, a bit of algebra and calculus, but are more or less beginners.

关于量子力学的书很多,我翻阅过一些。 国内的教材普遍从黑体辐射、光电效应导入,以波函数为首,然后在一维势场中解薛定谔方程。然后介绍算符,力学量的算符表示,力学量(算符)随时间的演化。然后介绍Dirac符号,算符的矩阵表示,然后介绍了中心力场,然后就看不下去了。对于自学的话,实在是太没有头绪和概念了。

这个系列的视频从自旋为例导入,用线性空间(复数向量空间)描述量子力学的态,随后立即介绍Dirac 符号,然后介绍线性算符,厄米算符对应可观测量,厄米算符的本征值为实数、本征矢正交。然后介绍态随时间的演变,导出薛定谔方程、unitary (我觉得幺正这个词是最烂的翻译)、不确定性,纠缠态、密度矩阵等内容。最后计算一维运动的粒子,导出位置与动量的对易关系,x\~p的不确定性,本质是由于波函数x\~p的傅里叶变换决定的性质,最后总结了量子和经典的极限。 概念和明确,虽然还有一部分没有听懂,但没有一头扎进计算,了解了大概的基本概念和物理图像。

Griffith的第一部分理论的也翻过,计算难度梯度很好,概念也比较清楚,Sakurai的风格和这个系列视频比较像感觉,前几章很精彩。

看完了Quantum Mechanics的十讲,感觉和自己之前看书的感觉不一样,讲解的角度也不一样,做了一笔记quantum-mechanic-Leonard-susskind.pdf


最近重读了Griffith的量子力学,一边当故事书娓娓道来,一边做了少量的习题,有了更深的理解。全书分为两部分,前半部分理论更为抽象,后面是具体使用的实例。

全书最大的假设就是波函数薛定谔方程的假设。对于几个常见例子(势阱势垒谐振子)的解释也很清楚,无论是幂级数还是算符。之后过渡到形式理论,但是并没有做太多停留。从直角坐标转化到球坐标,然后解释了氢原子,自旋角动量是一个相对陌生的概念,但基本对易关系还是可以类比转动角动量得出。

全同粒子基本可以看作量子统计的内容,读到这里有一种知识连成一片的感觉。 后半部分,用微扰解释了塞曼效应,用变分可以求基态,WKB近似解释了隧穿,含时薛定谔方程解释了系统随时的演化解释了跃迁,还提到了绝热近似,Berry‘s phase,以及散射的量子解释。对于工科来说,直观的了解懂了很多应用和在具体的例子,不再那么抽象。

有关表面等离激元讲座总结

表面等离子体讲座总结

表面等离子体讲座总结

基本概念

体等离子体 Volume Plasmon

通过高掺杂或者强场激发,半导体中具有大量自由载流子$10^{17}$~$10^{19} cm^{-3} $。大量的自由电子气相对于具有正电荷的离子施主整体运动,形成表面等离子体。表面等离子体存在于金属或掺杂半导体中。

  • 根据Drude模型(自由电子气模型)

定义等离子体频率:$\omega^{2}{p}=\frac{ne^{2}}{\varepsilon{0}m}$

可以计算色散关系:$\omega^{2}=\omega^{2}_{p}+K^{2}c^{2}$

介电函数:$\varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega^{2}_{p}}{\omega^{2}+i\gamma\omega}$

当$\omega<\omega_{p}$,保留金属性;

当接近$\omega_{p}$,$\omega\tau\gg1$,可忽略阻尼,介电函数:$\varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega^{2}_{p}}{\omega^{2}}$。

  • Lorentz模型

考虑带间吸收修正,阻尼共振系统,介电函数:$\varepsilon(\omega)=1+\frac{\omega^{2}{p}}{\omega^{2}{0}-\omega^{2}-i\gamma\omega}$

表面等离子体 Surface Plasmon,SP

表面等离子体可以分为两种:

1. 表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)

SPP示意图

SPP本质是一种沿空气和金属表面传播的衰逝波。

最重要的色散关系:$\beta=k_{0}\sqrt{\frac{\varepsilon_{1}\varepsilon_{2}}{\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}}}$

当\beta\rightarrow\infty时:$\omega_{sp}=\frac{\omega_{p}}{\sqrt{1+\varepsilon_{2}}}$

主要参数有:

  1. $\delta_{d}$:在空气一侧的穿透深度
  2. $\delta_{m}$:金属一侧的衰减深度
  3. $\lambda_{spp}$:SPP的波长
  4. $\delta_{spp}$:沿传播方向的传播长度

SPP具有以下特点:

  1. 没有TE模,只有TM模
  2. 需要共振激发(满足动量守恒)
  3. 光场局域增强
  4. 压缩波长( $\lambda_{spp}<\lambda_{air}$)(提高空间频率,提高分辨率,衍射极限)

由于波矢失配,不满足动量守恒,通常用光直接照射物体是不能激发SPP的。需要使用棱镜或者周期性结构进行波矢匹配(或动量匹配)。
常见的耦合方式有:

  • 棱镜耦合(某个角度发生,如全反射,沿表面的波矢分量匹配)
  • 光栅耦合(某个高阶衍射满足波矢匹配)
  • 直接近场激发(空间尺寸小,频谱宽,总有一个波矢满足)
  • 光纤消逝场激发 (?)

2. 局域表面等离子共振(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)

LSP示意图

通常光学研究的物体尺寸远大于光的波长,d>>λ,光可以看作直线传播。因为金属纳米颗粒尺寸远小于光的波长时,纳米金属颗粒对电磁波有散射作用。通常通过激发纳米金属颗粒,不同的形状拥有不同的极化率,从而得到不同振动模。
由于纳米颗粒或结构不连续,一般LSP不能传播。

不同金属颗粒间,LSP存在横模和纵模的耦合。

LSP的横模和纵模

各类应用

Plasmonics bridges photonics and nanoelectronics

这张图被广泛的用于说明微纳光子学的好处,兼具传统电子学和光学的体积和速度的优势。

表征及应用

SPP的表征方法,通常有:

  • 扫描近场显微镜(Scanning Near-field Optical Microscopy,SNOM)
  • 泄露模辐射显微镜(Leakage Radiation Microscopy,LRM)
  • 荧光成像(?)
  • 电子能量损失谱(Electron energy loss spectroscopy,EELS)+ 阴极荧光谱(cathodoluminescence spectroscopy)

由于SPP具有压缩波长的特性,可以用来显微成像,提高分辨率,即与SPP的观测表征方法互逆。SPP分辨率高,观测到SPP的话就代表相比普通光看的更小更清楚。两个小于衍射极限的SPP传播,传播一定距离分开后可观测,分辨率高。

金属纳米颗粒的LSP可以同来提高散射截面,将待测物质分子放在粗糙的金属或金属纳米颗粒上,增强拉曼散射,成为表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)

亚波长光波导

类似光纤,高折射率介质,夹在两个低折射率介质间,发生内全反射传播。
SPP在金属和介质(聚合物、塑料等),介质两边空气折射率小于介质,故沿介质和金属界面往前传播。
在SPP光波导的基础上,开发出了一些类似光纤的应用,波导分束、干涉、耦合等。

被动器件:制备完成后不可变。
主动器件:使用光敏、热敏的聚合物材料,制备完成后,随光、热引起变化,可作为传感器。

光学天线

IEEE对于天线定义为:“a means for radiating or receiving radio waves”(用于辐射或者接受电磁波的装置)。描述经典天线的电磁波完全由时谐的电流密度决定,常用的方法由格林函数法。

光通常用棱镜、光栅等原件,但光作为电磁波的理论,实质上是对电磁场的调控。用天线将电磁波变成导体里的电流,金属在微波和射频波段保留了金属性,视为理想导体\sigma无穷大,理想导体内部不存在电场(否则将出现无穷大的电流)。但是金属材料在微波的高频、光频必要考虑电场在导体一侧的渗入,由强耦合的电子集体震荡(体等离子)决定电磁场的响应。

光学天线和微波天线的物理机制并不完全相同,但是类比传统天线还是定义了一些光学天线的参数。

光在自由空间可以自由传播,是传播场,而在介质中不能自由传播,是衍射场,是局域的,光学天线起到作用就是就耦合传播场和局域场,有效的将传播模变成空间局域模,或相反的过程。光学天线可以看作广义上光与物质相互作用的基本概念。

因为光学天线增强吸收或辐射场,所以有望在单个量子系统水平上的控制光物质相互作用。

光学天线的制造则是随着微纳加工技术的进步成为了可能。

对于单独一根金属棒作为光学天线的描述

  • 弹簧振子,类似退极化场
  • F-P模型,在光频趋肤深度和金属棒直径相当,表面电子集体的震荡沿金属棒传播产生类表面模

参考资料

主要参考文献:

  1. Maier, Stefan A., Plasmonics: Fundamentals and Applications (New York: Springer, 2007)

  2. Klingshirn, C. F., Semiconductor Optics, 3rd ed (Berlin ; New York: Springer, 2007)

  3. Bharadwaj, Palash, Bradley Deutsch, and Lukas Novotny, ‘Optical Antennas’, Advances in Optics and Photonics, 1 (2009), 438 https://doi.org/10.1364/AOP.1.000438

  4. Biagioni, Paolo, Jer-Shing Huang, and Bert Hecht, ‘Nanoantennas for Visible and Infrared Radiation’, Reports on Progress in Physics, 75 (2012), 024402 https://doi.org/10.1088/0034-4885/75/2/024402

两次讲座主讲人分别是: