光子石墨烯中光传输特性的研究

光子石墨烯与电子石墨烯有相同的微结构,是具有三角晶格的二维光子晶体,其能带结构中存在中心奇异点,称为狄拉克点。这种狄拉克准粒子的存在导致了一种新的传输状态"赝扩散"。利用共面接地波导实现了单方向性窄的波束通过二维光子晶体。利用数值仿真的方法验证了"赝扩散"的传输特性。实验结果表明,对于二维光子晶体有些能带是不能被激发的。     

基于Dirichlet-to-Neumann映射方法计算二维光子晶体在布里渊区中心处的狄拉克点

光子晶体狄拉克点是光子晶体能带结构在布里渊区上形成具有线性色散关系的双锥形结构的交点.通常狄拉克点出现在布里渊区的边界上,近年来研究发现光子晶体狄拉克点也可以出现在布里渊区的中心处,而此时的光子晶体具有非常独特的性能,可以被制造成零折射率材料.利用Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法计算二维光子晶体在布里渊区中心处的狄拉克点.固定圆柱的半径,改变圆柱介质的介电常数,通过寻找能带结构在布里渊区中心处的交点,来确定光子晶体在布里渊区中心处的狄拉克点.利用DtN映射方法只需在单元晶格的边界离散,使得在每一步计算中,求解的都是较小矩阵的线性特征值问题.最后数值算例验证了利用DtN映射方法来计算二维光子晶体在布里渊区中心处的狄拉克点是有效的.     

填充率对类石墨烯结构磁振子晶体狄拉克点的影响

提出了类石墨烯结构的磁振子晶体模型,它是由铁(Fe)圆柱按照石墨烯结构(蜂窝状结构)排列在氧化铕(EuO)基底材料中构成的一种二维周期结构磁性复合材料系统。接着利用本课题组提出的改进平面波展开法,数值计算研究了磁振子带结构。结果表明,在一定的体积填充率下会有自旋波带隙的出现,同时由于类石墨烯结构的对称性,在布里渊区K点处出现了磁振子狄拉克点。磁振子是不同于光子和声子的又一种玻色子,人工磁振子晶体中狄拉克点的发现不仅丰富了凝聚态拓扑物理学的研究内容,同时有望为微波领域内的自旋波拓扑器件的制作提供思路和理论基础。     

三角晶格光子晶体第一带隙特性研究

光子晶体的带隙特性对于电磁传输器件设计具有重要意义.基于电磁波传输理论,应用MATLAB数值模拟了五种半导体材料SIC、Si、Ge、InSb和HgTe构成二维圆柱三角晶格光子晶体TM模第一带隙特性,研究得到不同填充率条件下,介电常数较大的可形成较宽带隙,第一带隙上下边界频率都上移,第一代带隙宽度也随着填充率的增加而增加.研究结论为光子晶体器件制作提供参考.     

含有缺陷的二维光子晶体能带特性

为进一步研究有缺陷光子晶体的能带特性，并以此作为光子晶体器件的设计理论依据，利用倒易空间的概念，得到了正方晶格的最小布里渊区的分布、采用时域有限差分加Bloch边界方法得到了二维光子晶体的能带特性．结合超元胞的方法计算了含有点缺陷和线缺陷的光子晶体的特性，并且得到了缺陷模式的场分布，通过对能带特性的分析，将对光子晶体的研究从量子阱结构发展到了量子点结构．     

正方晶格光子晶体ΓΜ方向波导的传输特性研究

在二维正方晶格光子晶体中沿第一布里渊区的ΓΜ方向设置线缺陷波导,采用时域有限差分法研究不同宽度波导的传输特性。计算结果表明：一定范围内改变波导宽度,当由 增加 时,波导维持单模传输,其透射通带宽度由0.31-0.37（ωa/2πc）大幅增大到0.28-0.36（ωa/2πc）,当波导宽度超过时 ,波导呈现多模特性,其透射通带几乎不变。     

张应力对石墨烯能量带隙的影响

在不考虑电子与电子之间相互作用的情况下,采用紧束缚近似和线性弹性理论解析计算石墨烯在张应力作用下的能量色散.计算结果表明:沿锯齿方向的张应力能使石墨烯产生能量带隙,这个带隙是临界的,需要超过24.5％的临界变形;沿扶手椅方向的张应力不能使石墨烯产生能量带隙;石墨烯能量带隙的获得是处在第一布里渊区的两个非等价的狄拉克点合并的结果;当应变沿扶手椅方向时,2个非等价的狄拉克点随着应变的增大向相反的方向移动不会合并,而当应变沿锯齿方向时;2个非等价的狄拉克点随应变增大彼此接近,最终合并.     

三角晶格太赫兹波光子晶体波导的带隙特性

用平面波展开法研究了三角晶格太赫兹波(THz)光子晶体波导的带隙特性。分析晶格常数为α=0.1mm的三角晶格硅介质柱二维光子晶体,通过数值计算,当填充率在f=0.801时,H偏振和E偏振出现重叠的最大绝对光子带隙,研究结果为三角晶格太赫兹波光子晶体波导器件的开发提供了理论依据。     

三角晶格太赫兹波光子晶体波导的带隙特性

用平面波展开法研究了三角晶格太赫兹波（THz）光子晶体波导的带隙特性。分析晶格常数为α=0．1mm的三角晶格硅介质柱二维光子晶体,通过数值计算,当填充率在f=0．801时,H偏振和E偏振出现重叠的最大绝对光子带隙,研究结果为三角晶格太赫兹波光子晶体波导器件的开发提供了理论依据。     

三势垒石墨烯超晶格中的Kronig-Penney模型改进

研究了理想石墨烯和应变石墨烯超晶格的能带,通过对两势垒Kronig-Penney模型的改进,得到了超晶格周期单元中包含三势垒(阱)的能带解析表达式。通过数值计算分析了能带随动量、晶格长度及沿扶手方向应力的变化情况。研究发现,晶格长度和应力能够对能带的形状、新的狄拉克点、群速与态密度等起决定性作用。     

掺铁铌酸锂晶体中三维光子晶格的诱导及结构分析

笔者描述了一种使用振幅掩膜在自散焦光折变晶体掺铁铌酸锂中制作光诱导三维光子晶格的实验方法,并提供平面导波、布里渊区潜、远场衍射图样三种方式对晶格结构进行分析．此外,笔者对光强极弱的会聚光束在晶格中的传播行为进行研究并得到独特的衍射图样．这对二维微结构的制作与光在接中传播特性的研究是非常有意义的．     

正方空气柱结构二维三角晶格光子晶体及其禁带特征

基于平面波展开法比较研究了空气圆柱三角晶格光子晶体和正方介质柱三角晶格光子晶体的禁带特征,提出了正方空气柱三角晶格光子晶体结构,并分析了相对介电常数对其禁带宽度的影响.结果表明:空气圆柱三角晶格光子晶体要比由同种介质材料构成的正方介质柱三角晶格光子晶体的完全禁带要大得多;对于正方空气柱三角晶格光子晶体,当相对介电常数εr>12.0时将出现双禁带,且当εr=19.0时两条禁带均达到最大值.     

二维三角晶格光子晶体的带隙计算和波导的传输效率分析

采用平面波展开法对二维三角晶格介质柱光子晶体和空气孔光子晶体分别在TM和TE极化下的带隙进行了计算;采用时域有限差分法分别计算了TM模和TE模在二维三角晶格介质柱和空气孔弯曲波导中的传输效率。研究对设计高传输效率的光子晶体波导定向耦合型器件具有重要意义。     

二维三角晶格介质柱光子晶体的完全光子禁带

本文利用时域有限差分方法研究了由各种形状介质柱体组成的三角晶格光子晶体的完全光子禁带.研究表明对于由正方形或三角形锗柱排列在空气中组成的三角晶格光子晶体,TM偏振和TE偏振的光子禁带存在重叠,因而具有完全禁带.     

二维太赫兹拓扑光子晶体的远场探测

随着量子霍尔效应(QHE)在凝聚态物理中的深入研究,一类具有非平庸特性的新型材料——拓扑绝缘体引起了人们极大的兴趣.与此同时,随着人工超材料的发展,一种可以产生新型单向传输模式且无背散射的拓扑光子晶体(Topological Photonic Crystals)引起非常大的关注.在本文中,根据时空反演对称性和量子自旋霍尔效应(QSHE)理论,我们构建了一个工作频率在太赫兹波段的拓扑光子晶体,当扩展或压缩六角蜂窝状晶格时,空间反演对称性会被打破,从而打破能带简并实现光子能隙结构,将具有相反拓扑特性的光子晶体摆放在一起,在它们的交界面可实现具有单向传输且不受缺陷影响的拓扑边界态.本文在太赫兹波段实验表征了该拓扑光子晶体的反射谱特性,发现扩展和压缩六角蜂窝状晶格获得的拓扑光子晶体的反射谷频率分别对应他们各自第一能带p±在Г点处的频率,由此可得知光子能隙的宽度,为拓扑光子晶体的验证提供了新的手段.     

压力下Si/Ge超晶格热电材料的声子谱和群速度

利用面心立方模型和晶格动力学理论计算了Si/Ge超晶格材料的纵向(z)和横向(x)声学声子谱,用半解析的方法计算了声学声子传播的群速度.计算结果表明,纵向声子谱有简并的现象,横向声子谱没有简并,在布里渊区的中心和边界,纵向和横向声子的群速度几乎减小为零.引入流体静力学压力并修正应变存在时的力常数,研究了应变对超晶格材料声子谱和群速度的影响,结果表明,静压使声学声子的频率系统性上升,使声学声子的群速度明显增大.     

六角晶格中Dirac准粒子的动力学模拟与操控

本文基于装载在六角可调光晶格中的超冷原子气体，研究了无质量狄拉克准粒子的动力学行为. 此系统与石墨烯具有类似的能带结构，即在简并点附近满足线性色散关系. 我们分别运用解析求解海森堡运动方程和数值波包动力学的方法，得到了准粒子质心位置. 我们可视化地展示了准粒子在不同宽度能隙处的演化行为. 结果发现准粒子的运动并没有出现相对论Zitterbewegung现象. 此外，我们还进一步研究了有效光速、Dirac旋量对系统动力学演化的影响. 结果表明波包的演化方式取决于初态Dirac旋子的形式，而运动速度只依赖于有效光速. 由于光晶格超冷原子系统具有纯净和高可操控性等优点，我们相信我们理论给出的有趣结果不久即可在超冷原子体系实验中得到验证.     

尺寸和边界形貌对三角锯齿型石墨烯量子点的磁性影响

采用约束路径量子蒙特卡罗计算方法和基于密度泛函理论的第一性原理数值计算方法,研究了不同尺寸的规则三角锯齿型石墨烯量子点（ZZ）和边界重构后的三角锯齿型石墨烯量子点（ZZST）的磁学特性和电子结构特征．2种方法的计算结果均表明：在所有尺寸下的ZZ的基态均处于铁磁态;当边界重构后,除了尺寸很小的外,其他尺寸的基态均处于反铁磁态．通过Drool^3软件包计算费米能级附近的上下自旋电子态密度分布,发现ZZ在费米能级附近出现明显自旋向上和自旋向下的态密度分布的劈裂,边界重构后费米能级附近的自旋极化被弱化,表明不规则的边界对石墨烯量子点的磁性具有抑制作用．     

二维光子晶体不可约布里渊区及其能带结构的研究

在固体物理中,通常认为对于给定的晶格来说,晶体的不可约布里渊区（IBZ）是给定的,是不变化的.实际上,对于由同样的晶格构成的不同的晶体（晶体=晶格＋基元）而言,由于基元的对称性以及取向和配置等原因,使得晶体的对称性不同于晶格,此时,晶体的IBZ要发生变化.本文通过一个二维光子晶体的具体事例说明,随着基元取向的改变,IBZ也在随着变化.当晶体的对称性低于其晶格的对称性时,晶体的IBZ扩大为整个第一布里渊区.     

非线性光子晶格的制作及光传输现象研究

采用数值和实验方法研究了非线性光子晶格图样的形成规律及光传输现象。采用光束传输法(BPM)模拟研究光波在由干涉图样及非线性作用下形成的光子晶格中的导光现象。通过多光束干涉观察了干涉图样,并由此制作了光子晶格。研究结果为利用非线性效应制作周期性光子晶格和准周期性光子晶格,并以此实现导光功能提供了新的思路和方法。