2022-2023学年高二物理竞赛课件：光子原子和光子分子

光子原子和光子分子2人造原子被称为量子点。量子点破坏了晶体的三维周期性。在这种情况下，三维方向电子能量空间的连续性被破坏，电子的运动受约束，出现类似于真实的孤立原子的性质和行为。

光子原子和光子分子是一种人造的光子约束结构，可通过它们破坏三维方向折射率的连续性实现对光的约束。将GaAs基的光学微腔沿纵深向下腐蚀掉某些部分上镜面及量子阱层，形成1-5μm范围内的方形光子点，即光子原子，如图10所示。光子原子和光子分子3图10(a)GaAs基的光子点结构示意图

(b)光子点分离的约束光模式(实线为理论计算结果，点为试验结果)4对于这种光子点结构，光子在垂直方向有光微腔的约束，横向平面内则由于折射率的不连续性产生面内光约束，从而实现三维方向的光约束，因此形成了分离的光模式(光子能级)，并且随着光子原子尺寸的减小，分离能级间的距离明显增大。理论计算(线)很好地说明了实验结果(点)，约束光模式反比于光子点横向尺寸的平方，与量子点中电子的行为非常相似。5

光子分子与真实分子的类比能更好地说明光子与电子行为的相似性。图11(a)是光子分子的扫描电镜照片，即用两个光子原子构成一个类H+2分子。随着两个光子原子间距的缩小，基态光子模式分裂为两个能级，见图11(b)。6图11(a)光子分子结构的SEM照片(b)光子分子的光致发光谱，从上往下光子原子间距逐渐缩小7当两个光子原子靠近时，光场发生重叠，光子原子的简并能级发生分裂，形成成键态和反键态，使得一个能级抬高(反键态)，另一个能级降低(成键态)，并且随着两个光子原子的靠近，光场重叠更多，光模式的分裂也更大。因此光子原子间的光场相互作用，使得光子能级的简并度降低，这些行为非常类似于两个原子间的相互作用。8如果把光子原子按一定规则排布，研究光子能带的形成过程，直接测出光子能带结构，则更能说明光子和电子的类似性。图12(a)所示的是50个耦合微腔组成的光子链。改变光子链的长度，可以研究光子能带的形成过程。角分辨光致荧光谱的发光峰位的变化示于图12(b)。9图12(a)50个耦合微腔组成的光子链的SEM照片，(b)不同耦合微腔个数的光子链中，约束光模式随入射角的变化，从左往右的微腔数分别为2、4、8和12个，当光子链长度到达12个时，就形成连续的色散曲线，只是在7°有一个裂缝，可能是光子禁带。10当光子链由两个光子点构成时，光模式的峰位不随测量角度而变化，电磁场在三个方向被约束，形成类似于真实原子中的分离级。光子链由四个光子点构成时，模式间的能量分裂已经很小了。当光子链由八个光子点构成时，已经形成了近连续的能带结构。11当光子链长度到达12个或更高时，连续的色散曲线就形成了，只是在7°有一个裂缝，这可能是一个光子禁带，只是由于测量精度的限制不能明显地分辨出来。当光子链的光子点数达到50个时，出现了类似半导体能带的光子能带图，见图(c)，并且在7°、15°和28°出现了光子禁带，禁带宽度分1.3meV，1.8meV和2.1meV。12

(c)50个耦合微腔组成的光子链的试验(点)和理论(线)色散曲线.垂直虚