基于表面等离激元的自发辐射及偶极-偶极相互作用研究
根据量子电动力学，自发辐射及偶极-偶极相互作用均强烈依赖于电磁环境。表面等离激元纳米结构是调控它们较好的平台，能在金属和电介质界面处产生表面等离激元共振。表面等离激元能突破衍射极限，大大增强局域电磁场，在原子与光子相互作用领域具有重要的作用。本文研究表面等离激元对自发辐射及偶极-偶极相互作用的影响，具体内容如下： 研究表明，自发辐射及偶极-偶极相互作用均可用经典的并矢格林函数来表达。因此，如何准确、快速求解并矢格林函数是研究人工纳米结构中自发辐射及偶极-偶极相互作用的关键。本文提出一种普适的方法，用有金属纳米结构和均匀空间两种情况下电偶极子辐射场的差来表达散射格林函数，这一理论可以利用基于有限元算法的COMSOL Multiphysics软件来实现。利用该方法，研究纳米球以及金属-空气分层结构附近的自发辐射和能级移动问题，数值结果与解析解符合较好，证实了该方法的有效性。另一方面，细致地研究了求解并矢格林函数通常所采用的准静态方法，发现当跃迁频率远离纳米结构辐射模式时，该方法计算能级移动比计算自发辐射更加有效；当跃迁频率在纳米结构辐射模式附近时，该方法会导致所求得的自发辐射率和能级移动蓝移，且量子点离金属表面距离越远，蓝移越明显。 理论上，并矢格林函数可以用均匀空间部分和散射部分之和来表达。当源点和场点在同一位置时，格林函数的实部是发散的，导致了发散的能级移动。传统上，将均匀空间所导致的能级移动归于偶极子的跃迁频率，只需考虑不发散的散射部分对能级移动的影响，另一种处理方法是采用重整化的方法。本文提出一种利用有限元法计算重整化格林函数的方法，不同于前述散射格林函数方法中需要两次仿真，该方法只需仿真一次，极大地减少计算量。应用该方法到均匀空间中，数值解与解析解一致，证实了该方法的可应用性及准确性。另外，系统比较了点电偶极子源与线电流源在计算重整化格林函数中的差异，发现点电偶极子源更合适。 研究偶极子的极化方向对银纳米球附近两个原子间偶极-偶极相互作用的影响。结果表明，一个线性极化的偶极子与另一个原子耦合时，当另一个原子的极化方向是左旋圆极化时要比其为右旋圆极化时的耦合强得多，这种极化选择现象在很宽一段频率范围内（ 0.03eV ）都存在，而且对原子位置和银纳米球半径的微小扰动均有很好的鲁棒性；除了稳定的确定性耦合以外，还发现在很窄的频率范围内（ 0.014eV ）从只与右旋圆极化的偶极子耦合跳变为只与左旋圆极化的偶极子耦合；当两个偶极子和球心在同一直线上时，一个原子的极化方向是右旋圆极化时，只有另一个原子的极化方向也是右旋圆极化时才会产生较强的耦合，不会与左旋圆极化的偶极子产生耦合。我们的结果对于基于偶极-偶极相互作用的固态量子信息处理具有重要意义。
表面等离激元;自发辐射;能级移动;偶极-偶极相互作用;并矢格林函数;有限元法
吉首大学
硕士
物理学
黄勇刚
2018
中文
O413.2;TB383
2019-01-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）