Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Динамические процессы в системах бозе-конденсированных атомов и экситон–поляритонов в нано– и микростуктурах Васильева Ольга Федоровна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Васильева Ольга Федоровна. Динамические процессы в системах бозе-конденсированных атомов и экситон–поляритонов в нано– и микростуктурах: диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 01.04.02 / Васильева Ольга Федоровна;[Место защиты: ГОУВОМО Московский государственный областной университет], 2017

Введение к работе

Актуальность работы

В настоящее время особую актуальность приобрели исследования различных физических явлений классических и квантовых, макроскопических и микроскопических систем, в частности мезоскопических. В рамках этой тематики получен ряд новых результатов при экспериментальных и теоретических исследованиях в объемных прямозонных полупроводниках.

Экситон-поляритоны экспериментально и теоретически исследовались в объемных прямозонных полупроводниках, а также в квазиодномерных и квазидвумерных полупроводниковых структурах, содержащих квантовые ямы. В экспериментах использовались гетероструктуры с одиночной, достаточно узкой ямой, или несколькими квантовыми ямами. Обычно квантовая яма (или ямы) располагается в области пучности стоячей электромагнитной волны симметрично между многослойными отражателями, служащими зеркалами в микрорезонаторе.

Всесторонние экспериментальные исследования резонансного возбуждения поляритонов в режиме параметрического рассеяния выполнены в ряде работ. Тем не менее истинная квантовая природа оптического параметрического рассеяния недостаточно исследована. Поэтому актуальной задачей является дальнейшее исследование особенностей поляритон-поляритонного рассеяния, благодаря которому экситон-поляритонная система демонстрирует сильно нелинейные свойства.

Наряду с экситон-поляритонами наблюдается и исследуется новая квазичастица – диполяритон – бозонная частица, которая образуется в связанных двойных квантовых ямах в микрорезонаторе. Благодаря большому дипольному моменту диполяритона он был предложен в качестве идеальной квазичастицы для генерации терагерцового излучения. Однако несмотря на значительный экспериментальный успех в исследовании диполяритонов, тем не менее в настоящее время отсутствует строгое теоретическое рассмотрение их нелинейных физических свойств. Поэтому дальнейшие исследования в этой области являются актуальными.

Известно, что ферми–частицы при определённых условиях могут связываться в пары, образуя бозоны. Коллектив таких бозонов обладает уникальными свойствами. В условиях термодинамического равновесия и при температурах ниже критической, когда тепловые де-бройлевские длины волн частиц сравниваются и начинают превышать межчастичное расстояние, происходит макроскопическое заполнение бозе-частицами самого нижнего квантового состояния с нулевым импульсом. В этих условиях полная свободная энергия системы бозонов минимизируется. Сконденсировавшиеся в такое состояние бозе-частицы образуют коллективное состояние, получившее название бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК). Поэтому исследование новых физических явлений в атомах и молекулах также является актуальной задачей.

Первые эксперименты, в которых наблюдалась БЭК разреженных паров щелочных металлов при сверхнизких температурах, стимулировали дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования этого явления. Результаты таких исследований представляют огромный научный интерес с точки зрения углубления представлений о макроскопических квантовых явлениях.

Исследования с использованием оптических ловушек и оптических решеток играют все большую роль в физике БЭК. Все большее развитие получают микроловушки, в которых магнитное поле создается токами, текущими по тонким электродам, нанесенным на диэлектрическую подложку, вблизи которой и удерживаются атомы. Одной из важных физических проблем является динамика бозе-конденсата, изменение его параметров в пространстве и времени.

Объект исследования: полупроводниковые микрорезонаторы, экситон-поляритоны и диполяритоны в микрорезонаторах, бозе-конденсированные атомы в магнитооптических ловушках.

Предмет исследования: временная эволюция экситон-поляритонов и

диполяритонов в полупроводниковых микрорезонаторах при различных начальных условиях системы (начальных плотностей частиц, начальной разности фаз) и констант взаимодействия; временная эволюция бозе-конденсированных атомов в двойных квантовых ямах с учетом линейных и нелинейных эффектов туннелирования.

Цель работы заключается в теоретическом исследовании динамики экситон-поляритонов и диполяритонов в режиме параметрического осциллятора, а также исследование эффектов линейного и нелинейного туннелирования бозе-конденсированных атомов в двухъямной магнитооптической ловушке. Для достижения поставленной цели следует решить задачи:

  1. получить и решить нелинейное дифференциальное уравнение, управляющее временной эволюцией плотности поляритонов и диполяритонов накачки в зависимости от параметров системы и начальных плотностей квазичастиц;

  2. получить и исследовать аналитические решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих временную эволюцию плотностей атомов в ямах в зависимости от начальных плотностей атомов, начальной разности фаз и расстройки резонанса.

Научная новизна работы

  1. Впервые построена теория динамики экситон-поляритонов в микрорезонаторе в режиме параметрического осциллятора, когда два поляритона накачки превращаются в поляритоны сигнальной и холостой мод и обратно. Предсказано возможное проявление эффекта квантового самозахвата.

  2. Впервые построена теория динамики диполяритонных возбуждений в режиме параметрического осциллятора на временах меньших времени релаксации возбуждений. Рассмотрены три канала рассеяния диполяритонов, удовлетворяющих законам сохранения энергии и импульса. Получены периодические и апериодические режимы эволюции диполяритоных состояний.

  3. Впервые построена теория динамики переходов бозе - конденсированных атомов через барьер между двумя ямами с учетом упругих межчастичных взаимодействий. Найдены бифуркационные значения параметров системы, определяющие переходы от одного периодического режима эволюции к другому через апериодический режим. Получен критерий существования режима покоя системы с отличными от нуля начальными плотностями атомов в обеих ямах. Обоснована возможность фазового контроля эволюции системы. Предсказано проявление эффекта квантового самозахвата атомов в одной из ям ловушки.

  4. Впервые построена теория динамики туннелирования бозе–конденсированных атомов в двухямной ловушке с учетом процессов упругого межатомного взаимодействия в каждой яме, а также нелинейного корреляционного и стимулированного межъямного туннелирования через барьер. Показано, что особенности поведения населенностей атомов в ямах определяются начальными параметрами системы и постоянными взаимодействия.

Теоретическая значимость работы: 1) предложен гамильтониан взаимодействия,
получена и решена система нелинейных дифференциальных уравнений, управляющая
временной эволюцией плотности поляритонов и диполяритонов; 2)предложен

гамильтониан взаимодействия и получена и решена система дифференциальных нелинейных уравнений, управляющая динамикой туннелирования бозе-конденсированных атомов с учетом линейного и нелинейного взаимодействия.

Практическая значимость работы определяется возможностью применения полученных результатов для построения таких узлов и элементов интегрально-оптических

устройств, как преобразователи формы импульсов лазерного излучения, переключающие
элементы на основе явления оптической бистабильности, ячеек памяти и др.. Результаты
исследования также могут быть использованы для получения информации о физических
параметрах: 1) экситон-полярионов и диполяритонов в полупроводниковых

микрорезонаторах; 2) бозе-конденсированных атомов в магнитооптической ловушке.

Достоверность полученных результатов теоретических исследований и закономерностей нелинейной динамики, представленных в диссертации, подтверждается корректностью разработанных математических моделей и использованных математических методов, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Динамика параметрических осцилляций экситон-поляритонов в микрорезонаторах. Особенности протекания режимов периодической и апериодической временной эволюции поляритонов, а также режима покоя в зависимости от начальных плотностей поляритонов, начальной разности фаз и расстройки резонанса. Предсказание возможности фазового управления динамикой системы.

  2. Динамика параметрических осцилляций экситон-диполяритонов в микрорезонаторах с двумя квантовыми ямами. Особенности протекания временной эволюции диполяритонов в зависимости от начальных плотностей и параметров системы. Предсказана возможность существования трех каналов рассеяния.

  3. Динамические эффекты в системе бозе - конденсированных атомов в ловушках при учете упругих межатомных взаимодействий и процесса линейного туннелирования

  4. Динамика туннелирования бозе-конденсированных атомов в двухъямной ловушке с учетом процессов нелинейного тунннелирования. Обоснование возможности динамического самосогласованного уменьшения значений критических параметров установления явления самозахвата атомов.

Апробация работы

Основные результаты данной диссертационной работы докладывались на International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT 2013 , 2016); на Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016" (Москва); Второй Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» МГТУ им. Баумана (Калуга, 2009); Третьей Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» МГТУ им. Баумана (Калуга, 2010); VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2011» (Санкт-Петербург, 2011); VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА – 2013» (Санкт-Петербург, 2013); IX Международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА – 2015» (Санкт-Петербург, 2015); на International conference of young researchers (Кишинев, 2007); International conference on materials science and condensed matter physics (Кишинев, 2008, 2010, 2012, 2014); International Conference “Telecommunications, Electronics and Informatics” (Кишинев, 2008, 2010, 2012, 2015); Третьей международной научно-практической конференции «Материалы электронной техники и совместные информационные технологии» (Кременчуг. 2008); на Международных конференциях «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, 2009, 2011, 2013, 2015); Conference fizicienilor din Moldova CMF-2009 (Кишинев, 2009); 5th International conference on materials science and condensed matter physics and symposium “Electrical methods of materials treatment” in memoriam of acad. Boris Lazarenko (1910-1979) (Кишинев, 2010); V Украинской научной конференции физики полупроводников (Ужгород, 2011); 5-th International Scientific and Technical Conference "Sensor Electronics and Microsystem Technologies" (Одесса, 2012); 6th International conference on materials science and condensed matter physics (Кишинев, 2012); 2nd International conference on Nanotechnologies and

Biomedical Engineering (Кишинев, 2013); The 8th International Conference “Microelectronics and Computer Science” (Кишинев, 2014), а также на научных семинарах физико-математического факультета Приднестровского государственного университета им. Т.Г. Шевченко и научно-исследовательских конференциях профессорско-преподавательского состава.

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 53 работы, из них 5 статей – в рецензируемых научных журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки Российской Федерации и 4 статьи – в зарубежных научных физических журналах.

Структура и объем диссертации