在光学领域中,光子晶体是一种材料,它具有周期性的微结构,这种结构使它具有光子能带结构,与半导体中电子能带结构类似。光子能带结构定义了材料中光子的能量状态,就像电子能带结构定义了固体中电子的能量状态一样。能量落在能隙中的光子无法在光子晶体内传播,这就是光子晶体能够阻止某些频率范围内的光传播的原理。通过在光子晶体中精细调整缺陷,科学家们可以控制光的传播方式,从而操控光。 通常,可见光波段的光子晶体是通过改变材料的介电常数来制造的。介电常数的周期性变化会导致光子能带结构的形成。然而,由于所有已知材料的磁导率在可见光波段都是1,科学家们无法通过改变材料的磁导率来制造光子晶体。德国科学家通过利用超材料(metamaterial)克服了这一困难。他们使用了金线对宽220nm、长100mm,之间以50nm厚的氟化镁隔开,形成周期性排列的一维人造原子晶格。这使得他们可以微调金线对的磁性,进而调整磁性光子晶体的电容率及磁导率。 此外,科学家们也在探究通过镀膜的方式来提高光传播效率。例如,将两片镀有200nm厚的硫化锌薄膜的硅棱镜与石英棱镜夹在一起,中间留出非常薄的空气间隙。他们发现,光在硅-硒化锌界面会被反射,并具有180度的相位差。由于振幅相同、相位相反,会出现相消干涉,导致没有反射,所有的光都能透射。利用这种镀膜技术,科学家们可以进一步设计出三维的超材料,实现三维光子能带结构。 此外,通过控制原子和分子处于高激发态,物理学家能够利用原子反射镜来操作原子和分子束。这些反射镜可直接反射处于里德伯态的原子或分子,为自旋电子学开辟了新用途。自旋电子学基于电子的磁性,可以操控电子的自旋来改进电子学。利用里德伯态的原子或分子可以形成连续时间长的高激发态,研究人员利用这一点进行原子波动性研究、改进型回转仪或原子钟等实验。 在半导体技术领域,科学家们正在研究如何提高有机发光二极管(OLED)的效率,并催生新一代半导体器件。特别是,透明银膜有望推动LED发展,通过降低光在金属阴极处的损失来提高“顶点发射(top-emitting)”LED的性能。这项技术也可能用于提升存在类似量子效应的半导体器件的性能。 从这些研究进展可以看出,光子晶体以及相关材料和技术的开发正在不断推进光学、光电子学以及相关领域的边界。通过纳米尺度下操控光的新方法,科学家们为未来的技术发展和应用提供了新的可能性。
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