金属球作为散射体的光子晶体安德森定域化研究

1、枣 庄 学 院大学生研究训练（SRT）计划项目申请书项目名称：金属球作为散射体的光子晶体安德森定域化研究申 请 人： 黄修涛 系（中心）： 光电工程学院 专 业： 物理学 指导教师: 马磊 职称 讲师 申请日期：2012年12月8日填 报 说 明一、填写申请书前，请先查阅枣庄学院大学生研究训练计划实施办法关于“SRT”计划项目申请的要求及有关规定。二、申请书的各项内容，要实事求是、逐条认真填写。表达要明确、严谨。三、申请书一律用A4纸双面打印，左边为装订边，宽度不小于25毫米，正文内容所用字型应不小于5号字。表格空格不够可加页。一式三份，由指导教师和所在系（中心）审查并签署意见后报送实验管理中

2、心。四、“系（中心）意见”一栏中，应注明研究人员、时间、条件、政策等方面的保证措施和意见。“项目类别”指A、B、C、D，A学术论文、社会调查类；B全国、省级竞赛（决赛）类；C实验设计和科技制作、科研类；D其他类。“项目编号”不填，由学校统一编号。五、凡选择性栏目，请在相应提示符A、B、C等之后打勾（）。六、有关表格、文件可到实验管理中心网站（一、简表项目名称金属球作为散射体的光子晶体安德森定域化研究项目类别A、学术论文、社会调查类； B、全国、省级竞赛（决赛）类；C、科学实验和科技制作、科研类； D、其他类。项目来源A、自立项目； B、教师科研课题的子项目； C、其它。经费来源A、学院资助 ；

3、 B、导师课题资助； C、企业资助；申请经费2000元起止年月2012年12月-2013年12月项目编号项目申请人姓 名黄修涛性别男民族汉出生年月1990-6-7系（中心）光电工程学院专业物理学学 号201005110106班级10本1电子邮件527658295前一学期学习成绩名次8前一学期综合测评名次1兴趣爱好科技史研究、打篮球特长打篮球指导教师主要教学工作简历时 间授课名称授课对象学 时授课单位2009量子力学、高等量子力学05级物理学118物理与电子工程系2011大学物理、专业英语10级机电一体化、10级应用数学、09级物理学138机电工程学院、数学与统计学院、

4、光电工程学院2012量子力学、大学物理10级物理学、12级土木工程203 旅游与资源管理学院、光电工程学学主要科学研究工作简历时 间项目名称获奖情况2010.10铁磁性超导体的微观电子态和相图的理论研究国家自然科学基金（10574063）第二位2008.12铁磁超导体正常态下电子结构的研究枣庄学院科研成果三等奖项目组主要成员姓名性别出生年月专业年级所在系学习状况项目中的分工签字黄修涛男199062010级光电工程学院8数值计算与理论分析王小录男199042010级光电工程学院14数值计算与理论分析司东辉男1987. 22010级光电工程学院9数值计算与理论分析二、立项依据20世纪是电子的时代，

5、电子计算机走进了千家万户，给人们的生活带来了全新的革命,其中电子扮演着主要的角色。但是随着社会的发展,电子越来越不能满足这个信息爆炸式发展的社会需求，因为集成电路的特征尺寸已经接近理论的极限，于是人们将目光从电子转移到了光子。与电子相比，光子具有不可比拟的优势。首先,传输光子的介质光纤的带宽远远大于传输电子的介质金属导体的带宽,光纤的带宽为1012Hz的数量级,而金属的带宽只有105Hz的数量级,而且光纤还具有抗电磁干扰、损耗小等优点。其次,在纳米量级电子之间的相互作用不可忽略，而光子之间的相互作用很弱，这样可以大大减少传输中的损耗。第三,光子的传输速度远远快于电子的传输速度,从而有利于极大的

6、提高器件的速度。在电子时代，人们利用半导体来控制电子的运动。Yablonovitch和John在1987年独立提出了一种同样可以控制和限制光子运动的材料，即光子晶体。它是一种介电常数随空间呈周期性变化的材料，如同半导体一样具有能带结构，光子晶体的一个重要特征就是具有光子带隙。当光子的能量落在带隙时，光子的传播是禁止的，而如果在光子晶体中引入缺陷的话，那么在带隙中就会存在缺陷态，这使得光子可以在缺陷中传播，即安德森光子定域化现象。光子晶体的研究会导致在光子技术领域的革命, 在这场革命中, 光子而不是电子将作为信息传递的主要载体。正是由于光子晶体具有可以控制光传播方向的特性而使得它在光子晶体光纤、

7、光子晶体波导、光子反射器件、光子发光二极管、光子滤波器、低阈值激光器等诸多方面有着广阔的潜在应用前景。二十世纪八十年代末兴起的光子晶体的研究与光子定域化有着许多联系，当周期性完善的光子晶体中出现线缺陷时，光子带隙中就产生定域模，在此线状缺陷中就可传输频率处于背景禁带中的光波，且允许光波急转弯而不损失光能。以此为原理，英国一研究组从1995年就开始了光子晶体光纤的研究并直到现在，目前正在试图用于传输超高功率的激光。对于无序体系的光子定域化，其理论与实验研究均是非常重要的，这可由无序体系电子定域化的理论工作获得诺贝尔物理学奖而见一斑。十几年来，物理学家们使用了随机矩阵理论、自洽场理论和量子场论等复

8、杂数学工具作了许多理论工作，并在可见光、近红外和微波频段进行了实验研究，但均未能实现真正意义上的强光子定域化。实验上，近二十年来只在微波区报道了公认的定域化效应，但体系的吸收还很大。只是在最近几年才在有限的可见和近红外谱区报道了大折射率半导体(GaP)的相对强的定域化效应，而中红外区的实验却只有一个研究组在1999年才开始，且到目前为止仍不算很深入，材料仅限于硅和锗粉，这也许是因为锗常被认为是红外区折射率最高的材料的缘故。另外，开展中红外光子定域化理论与实验研究少的原因可能是:其一，中红外辐射常常被认为是军事、医疗、工业或分子光谱学领域的研究对象;其二，中红外辐射的探测不如微波区和可见光区那么

9、容易和灵敏;其三，中红外辐射源不是很普遍，因而不但实验研究受到很大限制，对该波段研究价值和应用价值的正确评价也受到了影响。类似于安德森电子定域化的无序体系光子定域化在理论上要求随机介质中的散射体具有极强的散射能力，这只有在散射体的折射率相对于基质足够大时才可能实现。我们发现对光子晶体的光子定域化的理论有很多的研究内容，于是打算开展金属球作为散射体的光子晶体安德森定域化的问题。三、项目实施方案及实施计划（1）查阅国内外安德森定域化方面的参考文献，学习安德森定域化的基本理论和计算方法。（2）基于Mie散射理论和低浓度近似下，研究金属球作为散射体的光子晶体中安德森定域化现象，并分析影响定域化参量的各

10、种因素。（3）实施计划：2012.122013.3 ：查阅国内外参考文献，研究安德森定域化现象中的光子传输机制。2013.42013.8 ：对金属球作为散射体的光子晶体中的安德森定域化参量进行数值计算，并讨论影响定域化参量的各种因素。2013.92013.12：上述工作在物理学类核心期刊上发表，并写成研究报告，准备结项验收。四、预期成果（1）通过对金属球作为散射体的光子晶体中安德森定域化参量进行数值研究，得到影响定域化参量的各种因素，为实验上在该类晶体中实现安德森定域化现象提供理论指导。（2）上述研究工作在物理学类核心期刊上发表论文12篇。五、本项目的特点与创新之处（1）得到金属球作为散射体的

11、光子晶体中安德森定域化现象出现的理论波长范围；（2）得到该类晶体中影响安德森定域化参量的各种因素；（3）理论上摸清安德森定域化现象中的光子传输机制。六、研究基础1. 负责人与本项目相关的专业知识积累和已取得的成绩；指导教师的教学、科研工作积累和已取得的工作成绩；项目组成员的学习情况。 （1）项目负责人和研究成员为我院物理学专业三年级学生，已学习过光学、电动力学等课程，具备本课题研究的理论基础知识，并且成绩优异；（2）项目负责人和研究成员从大二开始，在我院开展的导师制工作中，已经做了一些科研工作，实验操作能力强，具有较高的创新能力。（3）本项目申请人导师马磊博士多年来一直从事凝聚态物理学领域的基

12、础理论研究，有扎实的基础理论，丰富的科研经历。研究工作发表在CPL, CPB上，均被SCI收录，并作为第二位参与了国家自然科学基金“铁磁性超导体的微观电子态和相图的理论研究（10574063）”，并顺利结项。马磊博士近期发表学术论文（第一作者）：1 Kink structures of spin-polarized electrons due to electron-magnon scattering in ferromagnetic state，Chin. Phys. Lett, 24(12):3516-3519 (2007)（SCI）2 Renormalization of spin po

13、larized itinerant electron bands in the normal state of a model ferromagnetic superconductor, Chinese Physics B, 20(3):037104 (2011).（SCI）3 Renormalization of the chemical potential due to multiphonon effects at the surface of metals, Chinese Physics B, 21(10):107301(2012).（SCI）2. 已具备的条件、尚缺少的条件和拟解决的

14、途径（包括利用教学实验室、科研实验室和实习基地等的计划与落实情况）学校的Internet网畅通，具有本研究所需的最基本、最核心的中、外文期刊及其它资料、信息、网络等科研工作条件有保障，可基本满足课题组参考文献和图书资料方面的需要。本课题组有计算工作站和微机，能够基本满足本项目计算方面的要求。此外，本项目在指导教师的指导下，每周将定期一次小组讨论，研究氛围浓厚，为本项目的顺利开展提供良好的保障。七、经费预算支 出 科 目金 额（元）计 算 根 据 及 理 由文献资料费800资料购置、打印、复印等费用论文版面费1200学生撰写与项目有关的论文版面费总计2000八、审查意见指导教师意见安德森定域化是当前光电子技术领域中的一个研究热点。本项目拟研究金属球作为散射体的光子晶体中的安德森定域化问题，寻找影响定域化参量的各种因素及其规律是一项非常有意义的课题。该项目的研究有助于揭示金属球作为散射体光子晶体中出现理想定域化现象以及与此相关的光子传输机制。黄修涛同学基础理论扎实，学习刻苦投入，并有较强的科研能力和探索精神。课题组成员有很好的科研训练基础和科研环境，大二期间在我院实施的导师制工作中，课题组成员在导师的指导下，勤奋刻苦，已经做了一些科研工作。并且在本项目的开展中，指导老师的指导和讨论有可靠的保证，相信在大学生研究训练计划项目经费的支持