铁磁/铁磁/超导结中的长程对关联与Andreev束缚态

基于格林函数方法,理论研究纯净极限下铁磁/铁磁/s波超导异质结(F_(1)F_2S)中的关联函数与局域态密度(DOS)。满足Gor’kov方程的格林函数采用数值求解且无需准经典近似。发现当两铁磁交换场的夹角α为有限值(约0.5π)且F_(1)为半金属时只有等自旋三重态能在F_(1)中产生。此时反常等自旋Andreev反射占主导地位,在F_2中产生零能Andreev束缚态。该束缚态使得F_(1)中的态密度表现出较尖锐的零能峰(ZEP)。解析推导产生零能Andreev束缚态的条件并验证其与数值结果完美吻合。ZEP能够深入F_(1)更体现出等自旋三重态关联的长程本质。F_(1)F_2S系统中长程ZEP的探测或许能为超导近邻效应产生长程三重态提供一个准确证据。

铁磁性电极条件下T形双量子点结构中马约拉纳束缚态的解耦现象

通过将马约拉纳束缚态侧耦合到主通道中的量子点,从理论上研究了T形双量子点体系的输运性质.结果表明,调整侧耦合量子点能级和量子点-马约拉纳束缚态耦合方式,可以在线性输运区观察到马约拉纳束缚态与T形双量子点解耦的现象.引入铁磁性电极后,电导平台的出现或损坏明显依赖于体系中磁场与电极极化方向的差异,而马约拉纳束缚态的解耦现象仍然稳固.本工作有助于进一步诠释T形双量子点体系中马约拉纳束缚态的解耦现象,为深入认知以及探测马约拉纳束缚态提供理论支持.

嵌有马约拉纳束缚态的T型量子点结构中的电流交叉关联

本文研究了在两个量子点之间嵌入拓扑超导纳米线的T型结构中,由马约拉纳束缚态所引起的电子输运特性,通过考虑对称和反对称两种偏压施加方式,发现量子点之间的超导对势对马约拉纳束缚态的非局域性有重要的影响.主要表现为,相比于电导发生的微弱变化,电流交叉关联的强度明显依赖于偏压施加方式和量子点间的超导对势.这表明电流交叉关联是描述马约拉纳束缚态性质的重要内容.该工作有助于深入理解马约拉纳束缚态的物理特性.

基于准连续域束缚态的全介质超构表面双参数传感器

本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面,获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum,QBIC).通过选择不同形式的对称破缺,在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC,并且二者的谐振波长、品质因子、偏振依赖等表现出不同的特性.模拟计算表明,通过测量两个QBIC的谐振波长,能够实现折射率和温度的双参数传感;通过调节不对称参数,利用QBIC的品质因子依赖于不对称参数的二次方反比关系,理论上能够提高品质因子到任意的数值,从而实现传感性能的提升和调节.该超构表面的折射率传感灵敏度、品质因子和优值分别达到194.7 nm/RIU,45829和8197,其温度传感灵敏度达到24 pm/℃.

双谐振环金属超表面中的连续域束缚态

超表面由于具备独特的电磁响应特性,在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛.在电磁超表面中构建连续域束缚态(bound states in the continuum,BIC)模式谐振可以产生尖锐的谐振透射峰,因此BIC被广泛用于设计具有高品质因子谐振的超表面.本文实验研究了一种支持准BIC(quasi-BIC,q-BIC)谐振的新型金属太赫兹超表面,通过设计两组金属开口谐振环(split ring resonators,SRRs)的结构参数来调节各自主导的谐振的工作频率,使不同模式谐振之间产生耦合,形成q-BIC模式谐振.并利用电磁场分布及其散射功率的多极分解的计算结果证明了不同模式的共振机制.在入射电磁波分别沿x,y偏振时,通过Jaynes-Cummings模型计算了两模式之间的归一化耦合强度比,分别为0.54%(x偏振)与4.42%(y偏振),解释了不同谐振模式的工作频率随SRRs器件结构参数改变而变化的规律.

基于准连续域束缚态的强圆二色性超表面

连续域束缚态最初是在量子力学中发现的,它是一种可保持局域化的波动现象.这种效应已在各种材料系统中得到广泛研究,包括压电材料、石墨烯和光子晶体.本工作提出了一种由中断的环形槽组成的四重旋转对称硅超表面.通过同时打破晶胞的面内反转对称性,实现了具有高品质因子和显著手性的准连续域束缚态.通过对动量空间中拓扑荷的研究,揭示了由超表面的内部共振机制产生的准连续域束缚态的独特拓扑特征.在合适的对称破坏下,具有平面内对称破坏的四重旋转对称超表面表现出–0.93的强圆二色性,并且其显示出了在对称破坏较大时的强圆二色性.这项工作所取得的成果在手性生物传感器和低阈值激光器等领域具有广阔的应用前景.

基于法布里-珀罗腔的可调谐连续域束缚态及应用

优异的光学吸收器一直具备着高品质因数和完美吸收的特性,然而,这类吸收器通常会受到传统表面等离子体共振带来的欧姆损耗,制约其在实际应用中的吸收性能.本文提出了一种基于法布里-珀罗腔的可调谐连续域束缚态(bound state in the continuum,BIC),通过调整模型的参数,可将BIC可以转变为准BIC,在连续谱中实现了100%的完美吸收.在本文中,采用干涉理论探究了影响完美吸收的因素,用耦合模理论和阻抗匹配理论对准BIC进行理论计算,采用电场和磁场理论解释了吸收器完美吸收的物理机制.与传统吸收器相比,该吸收器具有优异的结构参数鲁棒性和广泛的BIC调控范围.更重要的是,该吸收器具有出色的传感性能,其最大灵敏度可达34 nm/RIU,最大品质因数为9.5.最后,该吸收器还实现了双频的开光性能,其中双频开关的最大调制深度和最小插入损耗分别为99.4%和0.0004 dB.这些研究结果在光子学、光通信、传感器技术等领域具有重要意义.

探究四聚体超表面中多极准连续域束缚态的调控机制

本文设计了由四聚长方体组成的全介质超表面,其中每个长方体刻蚀两个椭圆柱并填装空气.当分别为超表面单独引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时,可在近红外波段产生稳健的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum).通过测量准BIC (quasi-BIC)模式的谐振波长,计算准BIC模式的Q因子(quality fector)与不对称参数的关系,可进一步证实不对称参数对准BIC共振频率和Q因子的可调谐性.在此基础上,当同时引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时,可获得5个高Q因子的准BIC模式.共振峰的数量、位置以及Q因子都可通过调整面内破缺、位移扰动和周期扰动的程度进行调控.该超表面的设计可为传感器的多参数传感以及灵敏度等性能的提升提供一种全新思路.

连续域束缚态赋能的太赫兹超表面:从机理到应用

太赫兹(Terahertz,THz)超表面能够在亚波长尺度下对入射光子进行捕获,并在共振频率处产生强烈的局域场增强效应,表现出卓越的光场操控能力。光子连续域束缚态(Bound states in the continuum,BIC)是位于辐射连续域内的非辐射本征态,具有无限高Q因子和动量空间偏振涡旋两个卓越特性,为在THz超表面中定制高Q共振和增强光场操控带来了新的机遇。本文从回顾光学BIC的历史发展进程出发,综述了周期性光学系统中各类BIC的物理性质及其产生机理,并从拓扑角度着重讨论了BIC的产生及演化规律。此外,着重介绍了BIC赋能的超表面在THz光子学领域的新兴应用,讨论了该领域面临的挑战并对其发展前景作了展望。

周期光学系统中的连续域束缚态

周期光学系统,如光子晶体和光学超材料,可以在亚波长尺度形成高密度的电磁场能量局域,并获得极小的模式体积,在光操控领域具有巨大的应用潜力。近年来,研究人员在周期光学系统中发现一种光与物质的强相互作用,其被称为连续域束缚态。它是一类频率位于辐射连续域内但被完全局域的特殊电磁本征态,具有诸多有趣的物理特性和丰富的应用场景。本文系统性综述了周期光学系统中连续域束缚态的分类及其理论体系,并总结了其基本物理特性和最新应用发展。周期光学系统中的连续域束缚态正在为集成光学、信息光学、生物光学、拓扑光学以及非线性光学等领域注入新的发展动力。

耦合Majorana束缚态T形双量子点中的Andreev反射

研究了连接在正常金属电极和超导电极之间的耦合Majorana束缚态(MBSs)T形双量子点结构中的Andreev反射.研究发现,对于T形双量子点结构,当入射能量等于边耦合量子点能级时Andreev反射电导出现Fano振荡,连接MBSs之后,零费米能附近出现一对新的Fano型振荡峰.如果忽略两个MBSs之间的相互作用,零费米能点的Andreev反射电导为定值1/2G_0(G_0=2e^2/h),不受量子点能级、双量子点之间耦合强度以及量子点与MBSs之间的耦合强度的影响.此外,在没有耦合MBSs的T形双量子点结构中,调节双量子点间的耦合强度可以使零费米能附近的Andreev反射电导出现由共振带向反共振带的转变,而耦合MBSs之后,又可以使反共振消失转而出现新的共振峰.

含修正Yukawa-Kratzar势场的Schrödinger方程束缚态解析解

采用Greene-Aldrich指数型近似方法近似表达径向方程非线性离心项,利用P-NU方法研究了含修正Yukawa-Kratzar势场的Schrödinger方程束缚态解析解问题,得到了归一化的束缚态波函数和相应能量本征值方程,数值求解能量本征值方程并和真实值数据进行了对比。

均匀磁场下二维拓扑绝缘体边缘态的多重Andreev反射研究

研究均匀磁场下的二维拓扑绝缘体在超导隧道结中的电压偏置约瑟夫森结的输运性质,电流-电压特性显示了马约拉纳束缚态的存在。在亚谐隙结构中,也可以观察到磁场对超导能隙的影响。研究结果表明,在S波超导体/正常金属/S波超导结的隧道谱中存在亚谐隙结构。透明度只影响超导结的零偏压电导值的大小,而不影响亚谐隙结构的位置。但是在磁场作用下,亚谐隙结构会发生变化,不再固定出现在特定位置。这一结果对应于拓扑螺旋态中超导和铁磁序之间的相互作用。

一维束缚态薛定谔方程解的选取

在量子力学教学中,常涉及到一维二阶线性微分方程的求解问题,在具体问题中其解的形式到底如何选取,该文根据微分方程理论,给出了简明扼要的分析与回答.

基于共振波导光栅结构准连续域束缚态的低阈值纳米激光器的数值研究

纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件.激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小,其损耗迅速增大.连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗.本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures,RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值.将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式.本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性.结果表明:TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%.TM偏振光照射时,阈值比传统RWG结构降低了3.3倍.而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级,这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内,增强了光与增益材料的相互作用,从而降低了纳米激光的阈值.

基于准连续域束缚态介质超表面的光微流折射率传感研究

准连续域束缚态(Quasi-BIC)是超表面中一种特殊共振模,具有极高的品质因子,可以极大地提高光与物质的相互作用,在荧光增强、纳米激光、光传感以及非线性光学等领域均有重要应用。本文基于我们前期对quasi-BIC产生的理论,研究quasi-BIC介质超表面在折射率传感方面的应用。本文给出了传感系统的基本结构,利用电子束光刻技术结合注塑工艺完成了样品光流控结构的制备,并初步测试性能。研究结果表明,得益于产生quasi-BIC的新方法,该超表面具有两个高Q值quasi-BIC共振峰(1.523μm和1.570μm,品质因子分别为3069和4071)。以四种折射率溶液(n分别为1.450/1.462/1.470/1.480)为样品的测试实验表明,两个共振峰均能完成折射率检测,灵敏度S分别为452 nm/RIU、428 nm/RIU,性能评价指标FOM分别为376.7、372,优于现有文献;共振波长和折射率之间线性度良好,展现了quasi-BIC超表面在折射率传感中的应用潜力。

基于连续束缚态的高品质因子双波长Fano共振

为了提高品质因子(Quality value,Q)以增强光与物质的耦合作用,本文提出一种结构简单、工艺制备要求低的介质超材料,它可激发对称保护的连续介质束缚态(bound states in the continuum,BICs)。该介质超材料具有四聚孔组成的平面纳米孔板,通过改变纳米孔的位置,可使对称保护BIC转变为对称保护的QBIC,进而诱导出两个高品质因子Q值Fano共振。经计算Fano共振在非对称参数Δ=3 nm时,Q值可达到1×e^(6)。随后将QBIC和Fano共振的远场辐射分解为不同多极子分量的贡献,基于散射功率和电场矢量分布可以发现,介质超材料在λ_(1)出现高Q值Fano共振主要是因为磁四极子和环偶极子的存在,而在λ_(2)出现高Q值Fano共振主要是因为环偶极子的存在。最后分析计算了纳米孔边长和纳米孔填充材料对两个Fano共振的影响。本文的研究可以为研究制备高Q值光学响应器件提供理论指导。

拓扑超导表面态涡核内部束缚态研究

近年来,拓扑超导体的研究引起了人们极大的兴趣。特别是对于马约拉纳零能模(MZM)的研究,由于其在拓扑量子计算机中有着重要应用。在本文中,我们研究了一个8 × 8 Bogoliubov-de Gennes哈密顿量的系统,该系统具有粒子空穴对称性。我们介绍了该系统的拓扑相图,分析了系统表面束缚态的最低能量与角动量之间的关系。此外,我们还分析了该系统在拓扑平庸和非平庸的情况下是否存在MZM,并求解了相应的波函数。

一类p-Laplace方程束缚态解的存在性与集中性

研究p-Laplace方程-Δ_(p)u+|u|p^(-2)u=Q_(n)(x)|u|q^(-2)u,x∈ℝ^(N),其中:Δ_(p)u=div(|▽u|p^(-2)▽u),1<p<N,p<q<p^(*):=Np/N-p.当n→∞时,有界函数Q_(n)(x)的自焦核supp{Q^(+)_(n)}收缩到两个不同的点.采用惩罚函数和山路引理方法证明了p-Laplace方程束缚态解的存在性和关于H^(1)范数的集中性.

C4旋转对称光子晶体平板中的对称保护连续谱束缚态

在光子晶体平板中,连续谱束缚态关于C2和C6旋转对称的依赖性已经在数值上进行了广泛研究,但是缺少严格的理论分析过程,此外还缺少对C4旋转对称的研究,鉴于此,构建了系统分析连续谱束缚态关于所有旋转对称的依赖性的理论,并且重点研究了C4旋转对称的情况;首先,通过分析具有旋转对称的结构中麦克斯韦方程组特征解的性质,将连续谱束缚态的存在性问题转变为旋转矩阵的特征值是否与一个简单代数方程的解相同的问题;其次,给出了C4旋转对称的结构中连续谱束缚态存在时所对应的条件;然后,证明了破坏C4旋转对称保持C2旋转对称时,连续谱束缚态依然存在;最后,利用有限元软件FreeFEM进行了大量的数值验证;上述理论可适用于所有旋转对称的情况,深入揭示了旋转对称对连续谱束缚态存在的重要性,深入揭示了高阶旋转对称性与低阶旋转对称性之间的依赖关系,为连续谱束缚态的实际应用提供了理论指导。