КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И НАНОФОТОНИКА Лекции

КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА (ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И НАНОФОТОНИКА) Лекции для студентов профиля «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике» Проф. А. С. Дмитриев Кафедра низких температур Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» , Samsung Electronics Expert Group, Suwon, Korea © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ Говорят, сегодня лекция по квантовой электронике… © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 Еще немного полежим, и пойдем… «Осторожно, обрыв, назад, - сказал я, и мы двинулись вперед…»

МОДЕЛИ И ИХ РОЛЬ В ФИЗИКЕ И ДРУГИХ НАУКАХ В ЧЕМ РАЗНИЦА МЕЖДУ НАУКОЙ, ИСКУССТВОМ И РЕЛИГИЕЙ? РАЗНИЦА – В ПОСТРОЕНИИ МОДЕЛЕЙ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА РЕЛИГИЯ: ВСЕ СОЗДАНО БОГОМ, ЕГО ЗАКОНЫ НАМ НЕ ДАНЫ, ПОЗНАТЬ БОГА НЕЛЬЗЯ, ПОЭТОМУ ТОЛЬКО ВЕРИТЬ И МОЛИТЬСЯ!!! ЭТО ВПОЛНЕ АДЕКВАТНЫЙ ОБРАЗ МИРА, ТАКОЙ ПОДХОД ОЧЕНЬ ДРЕВНИЙ – БОЛЕЕ 5 ТЫСЯЧ ЛЕТ! ИСКУССТВО: МОДЕЛИРУЮТ МИР В СООТВЕТСТВИЕ СО СВОИМИ ВНУТРЕННИМИ ПОТРЕБНОСТЯМИ, ВОСПРИЯТИЕМ, ЭМОЦИЯМИ, ПОНИМАНИЕМ И Т. Д. ОЧЕНЬ ДРЕВНИЙ ПОДХОД (ИМЕЮТСЯ ПЕРВЫЕ ПРИМЕРЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЖИВОТНЫХ 10 -12 ТЫС. ЛЕТ НАЗАД) НАУКА: ПРИБЛИЖЕННЫЕ МОДЕЛИ ПРИРОДЫ, ЧТОБЫ ОПИСАТЬ КОЛИЧЕСТВЕННО, ЧТОБЫ ОБЪЯНИТЬ, ПРЕДСКАЗАТЬ И ИСПОЛЬЗОВАТЬ. ТАКОМУ ПОДХОДУ ОКОЛО 2 -2, 5 ТЫСЯЧ ЛЕТ (ДРЕВНИЕ ВАВИЛОН, ШУМЕРА, ЕГИПЕТ И ГРЕЦИЯ). © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

РАЗНИЦА МОДЕЛЕЙ В ИСКУССТВЕ И НАУКЕ В ИСКУССТВЕ (ПОЭЗИЯ): «Пьяной горечью фалерна Чашу мне наполни, мальчик!» Сильное упрощение модели!!! А. С. Пушкин В ОБЫДЕННОЙ ЖИЗНИ : «Эй, парень, налей мне вина!» В ИСКУССТВЕ (ИЗОБРАЗИТЕЛЬНОЕ ИСКУССТВО): Точное воспроизведение реальности или фэнтези: Леонардо да Винчи © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 Микеланжело Фэнтези

РАЗНИЦА МОДЕЛЕЙ В ИСКУССТВЕ И НАУКЕ Но в искусстве возможны и упрощенные, абстрактные модели, делающие его схожим в каких-то моментах с наукой: Например, абстрактное или современное искусство Сальвадор Дали (сюрреализм) ? N. B. A. Dmitriev, T. Fisher. The Lections “Physics of Art & Fantasy” (Caltech, USA; WTU, Austria) – курс, посвященный абстракциям в физике и других науках, а также анализ физических возможностей и ошибок в фантастических фильмах и фантастических романах (например, почему не может существовать космическая станция «Звезда смерти» в «Звездных войнах» ) © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

НЕМНОГО О ТОМ, ЧТО И КАК МЫ БУДЕМ ИЗУЧАТЬ… Ричард Фейнман (1918 -1988) – выдающийся «Не все, что не наука, уж обязательно плохо. Любовь, например, тоже не наука…» Р. Фейнман американский физик XX века, лауреат Нобелевской премии по физике за 1965 год (за создание квантовой электродинамики); участвовал в атомном проекте, отлично разгадывал кроссворды и вскрывал замки, играл на барабанах, один из «отцов» нанотехнологий IQ Ну, зачем мне эти физика, химия, математика, нано… © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ВВЕДЕНИЕ КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА (ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И НАНОФОТОНИКА) ЛЕКЦИИ ПРАКТИКА ЛАБОРАТОРИЯ ПРИМЕРНО 22 ЛЕКЦИИ 4 ЗАДАНИЯ 3 ЛАБОРАТОРИИ + САМОСТОЯТЕЛЬНО – 15% КУРСА © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОНИКА – термин, который применяется последние десятилетия для описания явлений в оптике, оптоэлектронике, а также различных приложений, связанных с электромагнитными полями различных частот. Аналогично, в последние годы часто используется термин «ОПТОЭЛЕКТРОНИКА» . Для систем малой (нано) размерности используентся термин «НАНОФОТОНИКА» . Термин «ФОТОНИКА» подчеркивает, что мы имеем дело с фотонами, как основными участниками явлений, в контрасте с электроникой, в которой основными «действующими лицами» являются электроны и другие заряженные частицы. Вместе с тем, следует сказать, что чистые фотоны не очень интересны (сами по себе), а интересны только в своем взаимодействии с другими заряженными частицами. Поэтому под фотоникой (оптоэлектроникой) понимают более широкую сферу – взаимодействие электромагнитного излучения с отдельными заряженными частицами, атомами, молекулами и, вообще, с веществом! В дальнейшем под фотоникой будем понимать именно такую область знаний и приложений. Заметим, что до недавнего времени более популярным был термин «квантовая электроника» , который сохранил свою роль и в настоящее время. © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ЧТО ЕСТЬ ФОТОНИКА? Как электромагнитное поле, так и заряженные частицы, должны описываться, в общем случае, на квантовом языке и подчиняться квантовым закономерностям фотоны Целый спин = 1 электроны Полуцелый спин = 1/2 квантовомеханическое взаимодействие объектов с разными спинами – целым и полуцелым! © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ФОТОНИКА Однако, также как электроны в металлах могут описываться в грубом приближении классически (модель металлов Друде – она приводит к стандартной электротехнике), электромагнитное поле определенных частот может описываться классически – как в радиотехнике. Поэтому, до тех пор, пока можно считать некоторые свойства частиц, например, электронов, атомов молекул – классическими (феноменологические модели вещества), взаимодействие с такими объектами электромагнитного поля также можно считать классическим! Именно в таком подходе радиотехника и радиоэлектроника добилась выдающихся успехов (радары, средства радиокоммуникаций, сотовая связь и т. п. )! © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

МАСШТАБЫ В ФОТОНИКЕ Шкала электромагнитных волн Проникание в земной атмосфере Длина волны, м Частота, Гц Температура излучающего тела © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ФОТОНИКА ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ Современные области фотоники 1. Цифровые устройства (мобильные устройства и т. п. ) 2. Оптоэлектроника (LED, OLED и т. п. – свет, дисплеи, …) 3. Лазеры и мазеры 4. Оптические коммуникации (оптические волокна, …) 5. Системы радиосвязи – радары, антенны и т. п. 6. Интегральная и адаптивная оптика 7. Нелинейная оптика 8. Метаматериалы 9. Нанофотоника (фотонные кристаллы и все такое…) И еще много областей применений © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 ……

ЛОГИКА И СТРУКТУРА КУРСА ЭЛЕКТРОДИНАМИКА (ТЕОРИЯ МАКСВЕЛЛА) ЭЛЕКТРОДИНАМИКА В ВАКУУМЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА В ВЕЩЕСТВЕ НЕКОГЕРЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭМ ПОЛЯ ЛАЗЕРЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА (ФОТОНИКА) В ВЕЩЕСТВЕ С РАЗМЕРНЫМИ ЭФФЕКТАМИ ОПТОЭЛЕКТРОНИКА (LED, OLED, ФЭЯ И Т. Д. ) НАНОФОТОНИКА И МЕТАМАТЕРИАЛЫ © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ИТАК, БУДЕМ СТРОИТЬ МОДЕЛИ ПРИРОДЫ… «Когда мы хорошо понимаем вопрос, нужно освободить его от всех излишних представлений, свести его к простейшим элементам» Рене Декарт «Я больше всего дорожу аналогиями, моими самыми верными учителями» Иоганн Кеплер © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ПРИМЕР: МОБИЛЬНАЯ СВЯЗЬ – ВСЕ ТЕХНОЛОГИИ - ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ Что внутри мобильного телефона? i. Phone Technical Specifications Operating System: OS X Memory: 4 gb or 8 gb versions available Processor: 32 -bit, 620 MHz core Muliti-Touch Display: 3. 5 inch 480 x 320 -pixel HVGA resolution, 160 dpi Wireless: Quad-band (850, 900, 1800, 1900 MHz), Wi. Fi (802. 11 b/g), EDGE, Bluetooth 2. 0+EDR Digital Camera: 2. 0 mega pixels with 1200 x 1600 resolution Battery: 1400 m. Ah, 3. 7 V Rechargeable lithium-ion, Talk time: up to 8 hours, Standby time: up to 250 hours, Internet use: up to 6 hours, Video playback: up to 7 hours, Audio playback: up to 24 hours Size: 4. 5 x 2. 4 x 0. 46 in (115 x 61 x 11. 6 mm) Weight: 4. 8 ounces (135 grams) © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ПРИМЕР: ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ЗВУК РАДИОВОЛНЫ ТЕПЛО ВИДИМЫЙ СВЕТ наше правило игры © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ЭТО ВСЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭТО ВСЕ - ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ПРЕДСКАЗАНИЯ «Все, что можно изобрести, уже изобретено» (Charles Duell, Head of US Patent Office, 1899) «Мода на радио скоро умрет» (Томас Эдиссон, изобретатель лампы накаливания, 1922) «С точки зрения теории и техники, телевидение нереализуемо по коммерческим и финансовым причинам» (Ли де Форест, изобретатель триода, 1926) «Рынок компьютеров не превысит пяти штук» (Томас Ватсон, глава IBM, 1943) «Компьютер будущего не будет легче 1, 5 тонн» (Popular Mechanics Magazine, 1949) «Нет никакого смысла иметь кому-либо компьютер дома» (Кен Ольсен, глава компании DEC, 1977) «Память размером 640 К будет достаточной для кого-либо» (Билл Гейтс, Microsoft, 1981) © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ – ПАМЯТЬ ВСЕЛЕННОЙ ТАК СЕГОДНЯ МЫ ВИДИМ ВСЕЛЕННУЮ ОДНАКО, ЧАСТЬ ЭТОГО ВИДА – ФАНТАСТИЧЕСКИ ДАЛЕКАЯ И ДАВНО УМЕРШАЯ ВСЕЛЕННАЯ; НЕКОТОРЫЕ УЧАСТКИ НЕБА (ВСЕЛЕННОЙ), КОТОРЫЕ МЫ НАБЛЮДАЕМ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ ДЛИН ВОЛН (ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ, РЕНТГЕНОВСКОЕ, УЛЬТРАФИОЛЕТЛОВОЕ, ВИДИМОЕ, ИНФРАКРАСНОЕ И РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ) – ТОЛЬКО ФОТОНЫ, КОТОРЫЕ СТРАНСТВОВАЛИ ВО ВСЕЛЕННОЙ МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПРИНЕСЛО НАМ ИНФОРМАЦИЮ С РАССТОЯНИЯ БОЛЕЕ 13, 6 МЛРД. СВЕТОВЫХ ЛЕТ. МЫ ВИДИМ ТО, ЧТО УЖЕ МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ НЕ СУЩЕСТВУЕТ, А ЧТО ТАМ ТЕПЕРЬ УЗНАЕМ ТОЛЬКО ЧЕРЕЗ МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ. СВЕТ – ВЕЧНАЯ ПАМЯТЬ ВСЕЛЕННОЙ – ОТ ЕЕ РОЖДЕНИЯ И ДО ЕЕ СМЕРТИ (ЕСЛИ ОНА КОГДА-ЛИБО БУДЕТ). Такой Вселенная была примерно 13, 5 миллиардов лет назад © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013 Hubble Эти спутники принесли нам информацию об электромагнитном состоянии Вселенной

ЛИТЕРАТУРА И ДРУГИЕ РЕСУРСЫ ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ Основная Левич В. Г. и др. Курс теоретической физики. т. 1. (часть 1, ## 5, 8, 10, 12, 13, 28 -30, 34, 35, 37; часть 4, ##2, 4, 5, 3338). (хороший учебник по классической электродинамике, но новых тем там нет). Ландау Л. Д. , Лифшиц Е. М. Теория поля. Теоретическая физика. т. 2. М. Наука. 1985. (очень хороший, но сложный учебник; современной фотоники там нет) Ландау Л. Д. , Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. Теоретическая физика. т. 8. М. Наука. 1992. (очень хороший, но сложный учебник; нам необходимы только разделы: глава 9 (§ 75), глава 10 (§§ 85, 86, 90, 91 -93), глава 13 (§§ 107 -110). Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике. М. : Наука, 1983. (хороший курс по квантовой электронике, но некоторых важных тем нет вообще). Дмитриев А. С. , Михайлова И. А. Физико-химия наноструктур. М. Изд. Дом МЭИ. 2012 (в глава 2 описаны современная оптика наноструктур и плазмоника) Ярив А. Квантовая электроника. М. : Советское радио, 1980. (один из лучших курсов по квантовой электронике, однако, достаточно сложный и объемный; из этой книги важны разделы: глава 5 (## 5. 1; 5. 55. 7), глава 9, глава 10, глава 16 (## 16. 1, 16. 3, 16. 5). Дополнительная Звелто О. Физика лазеров. М. : Мир, 1979. (хорошая в целом книга). Мэйтлэнд А. , Данн М. Введение в физику лазеров. М. : Наука, 1978. (хороший учебник по лазерной физике). Справочник по лазерам Т. 1 -2, под редакцией А. М. Прохорова. М. : Советское радио, 1978. (много полезной и нужной информации по лазерам и их приложениям). Клышко Д. Н. Физические основы квантовой электроники. - М. : Наука. 1986. (добротный университетский курс; мало внимание уделено эксперименту и приложениям). Страховский Г. М. , Успенский А. В. Основы квантовой электроники. М. "Высшая школа", 1979 г. (хороший учебник). Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника. Высшая школа. 2001 г. (современный очень хороший учебник). © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013

«Осторожно, обрыв, назад, - сказал я, и мы двинулись вперед…» «Дорогу осилит идущий!» © Дмитриев А. С. МЭИ. 2013