Kropki kwantowe w strukturach fotonicznych

Od słuchaczy nie są wymagane specjalne umiejętności, poza chęcią poszerzenia wiedzy o fizyce struktur kwantowych i (nano)fotonice. Znajomość elektrodynamiki i mechaniki kwantowej jest pożądana, jakkolwiek niekonieczna. Niezbędne dla kursu minimum pojęć istotnych w tych dziedzinach zostanie wprowadzone w jego trakcie, a sam kurs będzie unikał używania zaawansowanego formalizmu matematycznego.

Podczas wykładu przedstawiane zostaną zagadnienia fizyki sprzężenia światło-materia, przede wszystkim w aspekcie sprzężenia półprzewodnikowej kropki kwantowej z modem optycznym mikrownęki optycznej.

Orientacyjny plan wykładu

Fizyka sprzężenia światło-materia

1. Przegląd zagadnień prezentowanych podczas wykładu. Wnękowa elektrodynamika kwantowa (QCED) – wprowadzenie

a. Rezonatory optyczne i złota reguła Fermiego

b. Silne i słabe sprzężenie emiter – mod wnęki optycznej

2. Równanie falowe w dielektrycznych strukturach warstwowych

a. Rozwiązanie równania Maxwella dla struktury periodycznej

b. Półprzewodnikowe wnęki planarne

3. Wnęka planarna na lustrach Bragga

Obliczenia: Widmo odbicia lustra Bragga i mod wnęki planarnej w formalizmie macierzy przejścia (zajęcia interaktywne z wykorzystaniem tabletów)

4. Struktury fotoniczne i ich wytwarzanie

a. Mikropilar, mikrodysk, kryształ fotoniczny 1D, 2D, 3D

b. Rozkład kątowy emisji struktur fotonicznych

5. Krótkie wprowadzenie do fizyki półprzewodników

a. Ośrodek o strukturze periodycznej – sieć krystaliczna: analogie wynikające z periodyczności

b. Struktura pasmowa półprzewodników

Półprzewodnikowa kropka kwantowa jako źródło światła

6. Wprowadzenie do fizyki kropek kwantowych

a. Podstawowe pojęcia mechaniki kwantowej przydatne w dalszym wykładzie

b. Od związania kwantowego jedno- do trójwymiarowego w półprzewodniku

7. Samozorganizowane półprzewodnikowe kropki kwantowe

a. Rodzaje kropek kwantowych

b. Półprzewodnikowa kropka kwantowa

8. Spektroskopia półprzewodnikowych kropek kwantowych

a. Struktura energetyczna i widmo mikro-fotoluminescencji kropki kwantowej

2

b. Dynamika emisji przejść ekscytonowych

Kropka kwantowa w mikrownęce optycznej

9. Kropka kwantowa w mikrownęce optycznej: reżim słabego sprzężenia

a. Metody uzyskiwania sprzężenia kropka – mod wnęki

b. Efekt Purcella i kierunkowanie emisji

10. Kropka kwantowa w mikrownęce optycznej: reżim silnego sprzężenia

a. Oddziaływanie mod wnęki optycznej – kropka kwantowa

b. Oscylacje Rabbiego

11. Wpływ otoczenia fotonicznego na nieklasyczne własności emisji kropek kwantowych

a. Statystyka fotonów emitowanych przez kropkę kwantową we wnęce

b. Wytwarzanie stanów splątanych fotonów w emisji kropki kwantowej

Praktyczne zastosowania, wyzwania i perspektywy

12. Zastosowania praktyczne

a. Istniejące zastosowania komercyjne i medyczne

b. Pojedyncze fotony z kropek kwantowych w kryptografii kwantowej

13. Wyzwania i perspektywy (1)

a. Pamięć spinowa w kropkach kwantowych

b. Lasery z kropkami kwantowymi jako ośrodkiem aktywnym

14. Wyzwania i perspektywy (2)

a. Optyczne wnęki plazmonowe i ich kombinacja z wnękami fotonicznymi

b. Efekt Purcella przy sprzężeniu kropka kwantowa-mod plazmonowy

Wykład będzie bogato ilustrowany wynikami badań naukowych opublikowanych w ostatnich latach.

Zajęcia będą zawierać elementy ćwiczeń (do 15-20 % czasu przeznaczonego na cały kurs), podczas których studenci będą przy użyciu tabletów wykonywali samodzielnie proste obliczenia i szkicowali wykresy w celu bezpośredniego zastosowania i zrozumienia poznanych wiadomości.

Nakład pracy studenta:

- wykład 30 h

- przygotowanie do egzaminu 30 h

Razem: 60 h

Confined photon systems, fundamentals and applications, ed. Henri Benisty, Jean-Michel Gerard, Romuald Houdre, John Rarity i Claude Weisbuch, Springer-Verlag, Berlin, 1999

Photonic crystals: molding the flow of light, John D. Joannopoulos, wyd. II, Princeton University Press, 2008

Controlling spontaneous emission dynamics in semiconductor microcavities: an experimental approach, Bruno Gayral, Ann. Phys. Fr. 26 No 2, EDP Sciences, 2001

Student będzie znał podstawowe problemy i pojęcia Wnękowej Elektrodynamiki Kwantowej i fizyki sprzężenia światło-materia, w tym np. pojęcie słabego i silnego sprzężenia między emiterem a modem wnęki optycznej.

Egzamin ustny. Ocena na podstawie odpowiedzi na dwa pytania wylosowane z uprzednio podanej listy.