Содержание
Введение....
2
5
Глава 1. Долгоживущий атом позитрония в поле оптическою лазерного излучения.......................................................11
1.1. Введение.....................................................11
1.2. Уравнения движения для фотонных и атомных операторов 14
1.2.1. Законы сохранения........................................17
1.2.2. Адиабатическое приближение...............................18
1.2.3. Учет вкладов в полевые уравнения, связанных с интенсивным воздействием оптических фотонов.............................21
1.3. Числа заполнения состояний атома позитрония в поле оптических и аннигиляционных фотонов.........................................24
1.4. Частные решения уравнений движения для чисел заполнения атомных состояний с учетом многомодовости фотонных полей 27
1.4.1. Аннигиляция атома p-Ps в основном состоянии..............30
1.5. Когерентные состояния атома позитрония.......................31
1.5.1. Интенсивность аннигиляционного процесса..................33
1.5.2. Стационарное решение уравнений движения..................34
1.6. Обсуждение результатов.......................................37
Глава 2. Линейные оптические размерные резонансы в двухатомных наноструктурных объектах............................................40
2.1. Введение.....................................................40
2.2. Уравнения движения дипольных моментов........................42
2.3. Стационарный режим возбуждения малого объекта................44
2.4. Оптическое поле вне малого объекта...........................46
2.5. Обсуждение результатов.......................................48
Глава 3. Нелинейные оптические размерные резонансы в двухатомных наноструктурных объектах..............................49
3.1. Уравнения движения дипольных моментов и система модифицированных уравнений Блоха..............................49
3.2. Стационарное решение.......................................53
3.3. Нестационарное решение при бесконечных временах релаксации .54
3.4. Нелинейные оптические размерные резонансы в наноструктурном объекте составленном из двух одинаковых атомов................57
3.5. Нелинейные оптические размерные резонансы в наноструктурном объекте составленном из двух различных атомов.................64
3.6. Обсуждение результатов.....................................65
Глава 4. Экспериментальное обнаружение оптических размерных резонансов в димерах и Са на чистых поверхностях (100) СаА$...67
4.1. Введение...................................................67
4.2. Два взаимодействующих дипольных осциллятора на поверхности иолубесконечного изотропного диэлектрика в поле непрерывного излучения.....................................................68
4.2.1. Погашение внешней волны на плоской поверхности с учетом двухатомного объекта на поверхности...........................73
4.3. Эффективные поляризуемости атомов двухатомного наносгруктурного объекта с учетом поляризующего влияния подстилающей среды при нормальном падении света...............74
4.4. Отражение плоской волны на резкой границе двух сред с учетом инородных атомов на границе...................................76
4.5. Спектроскопия анизотропного отражения чистых (100) поверхностей СтаАБ, реконструированных мышьяком...............79
Заключение........................................................84
4
Библиография.....................................................87
Приложение. Некоторые аспекты применения теории оптических размерных резонансов в наноструктурных объектах..................95
1. Обобщенная система уравнений движения для атомных и полевых переменных двухатомной системы в поле излучения..............98
2. Сосредоточенная двухатомная квантовая система..............103
3. Построение квантовых вычислительных систем.................103
4. Оптический микроскоп ближнего поля на основе светоиндуцированных размерных резонансов взаимодействующих атомов......................................................105
5
Введение
В настоящее время значительно повысилась точность прецизионных измерений физических параметров традиционных объектов исследования таких, как поверхность твердых тел, тонких и сверхтонких пленок на поверхности твердых тел и жидкостей. Разрешающая способность современных ближнепольных оптических микроскопов достигает нескольких десятков нанометров, и ведутся активные теоретические и экспериментальные исследования по повышению разрешающей способности оптических приборов до субнанометровых размеров. Наряду с традиционными объектами исследования в настоящее время значительный научный и прикладной интерес вызывают такие новые объекты, как квантово-размерные системы [1; 2] (например, квантовые точки [3] и квантовые нити [4]), диэлектрические микрошары, коллоидные частицы на поверхности твердых тел, димеры на поверхности твердых тел и в газах, сверхтонкие пленки [5; 6], а также биологические объекты, составленные из небольшого числа атомов и молекул [7; 8). Можно отметить также, задачи связанные с исследованиями в области квантовых вычислений [9] и сопутствующих им проблем квантовой криптографии [10]. Все это требует иересмогра существующих теоретических и экспериментальных методов исследования. Так, макроскопические уравнения Максвелла не могут быть использованы для адекватного описания перечисленных объектов. Как показано в [11], введение нелокальных микроскопических уравнений электродинамики позволяет решать принципиально новые задачи, в которых учитываются внутренние свойства наноструктурных и субнанострук-турных объектов.
Развитый в работах [12-18] математических аппарат нелокальных микроскопических уравнений позволяет построить убедительные теоретические модели рассматриваемых систем. В настоящей диссертации на
6
основании предложенного подхода рассматриваются две задачи квантовой электродинамики, а именно:
- управление характеристиками позитронных состояний, а именно кинетикой аннигиляционного распада атома парапозитрония, полем оптического электромагнитного излучения;
- исследование поведения системы двух взаимодействующих диполей в поле сильного и слабого оптического излучения, и, в частности, предлагается эффективный метод исследования поверхностей твердых тел с использованием описанного в данной работе эффекта появления в спектре отражения (прохождения) света новых пиков, связанных с диполь-дипольным взаимодействием внутри наноструктурных объектов образованных атомами на поверхности исследуемых тел.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и проверки исходных предположений был использован комплекс методов исследования включающий в себя изучение литературы по рассматриваемой проблеме, аналитические методы теоретического анализа, численное моделирование, методы статистической обработки полученных результатов.
Исследование проводилось в несколько этапов:
(1997-1999)- разработка теории атома парапозитрония в поле оптических и аннигиляционных фо тонов;
(1999-2001) - исследование системы двух взаимодействующих ди-польных моментов в поле сильного и слабого оптического излучения;
(2001) - обобщение и систематизация результатов исследования. Научная новизна и теорет ическая значимость исследования.
Совокупность полученных в ходе работы результатов заключает в себе решение нескольких проблем - исследования кинетики аннигиляционного распада атома парапозитрония в присутствии аннигиляционных и оптических фотонов и поведение системы атомов-диполей с учетом и без
7
учета диэлектрической подложки в иоле оптического излучения. В соответствии с этим:
- на основе замкнутой системы гейзенберговских уравнений решена задача о поведении атома парапозитрония в поле оптических и аннигиля-ционных фотонов, проведено доказательство существование долгоживущего состояния атома парапозитрония в поле внешнего оптического излучения, время жизни которого может быть в сотни раз больше чем время жизни свободного атома парапозитрония;
- разработана теория линейных и нелинейных оптических размерных резонансов в двухатомном наноструктурном объекте, состоящем из двух одинаковых или различных атомов, с учетом и без учета подстилающей диэлектрической среды;
- осуществлен анализ полученного решения, в результате которого была решена задача экспериментального обнаружения линейных размерных резонансов на чистой поверхности арсенида галлия восстановленной мышьяком;
- разработаны методологические предпосылки для описания систем ближнепольной микроскопии и оптической голографии наноструктурных объектов, а также служить основанием для разработки систем квантовой криптографии и квантовых вычислений.
Практическая значимость исследования.
Содержащиеся в работе теоретические положения могут служить основанием для разработки новых методов исследования наноструктурных объектов на поверхности твердых тел, неразрушающего контроля и исследования микроскопических биологических объектов, стать базой для разработки систем ближнепольной микроскопии и квантовых компьютеров, а также для создания новых прецизионных приборов.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Разработана феноменологическая теория атома парапозитрония в поле оптических и аннигиляционных фотонов, позволяющая вычислять спектроскопические величины, такие как интенсивность аннигиляци-онного распада атома парапозитрония, спектр энергетических уровней атома, время жизни атома парапозитрония, а также описать кинетику аннигиляционного распада учитывая переходные и стационарные процессы. Получены нелинейные уравнения движения для атомных и нолевых переменных атома парапозитрония в поле слабого и интенсивного оптического излучения. Получено стационарное решение уравнения движения, показывающее, что при определенных условиях лазерного облучения, на переходе 1Б-2Р атома парапозитрония возможно долгоживущее состояние атома парапозитрония, время жизни которого в сотни раз больше времени жизни атома парапозитрония в К$ состоянии.
2. Построена классическая теория системы близкорасположенных ди-польных осцилляторов в поле внешнего излучения с учетом диполь-дипольного взаимодействия осцилляторов. Получено стационарное решение совместной системы уравнений для атомных и полевых переменных. На основе полученного решения доказано существование в двухатомном наноструктурном объекте линейных стационарных оптических размерных резонансов, частоты которых существенно отличаются от собственных частот атомов объекта. Свойства этих резонансов подробно исследованы в тексте диссертации.
3. Доказано, что обнаруженные теоретически линейные стационарные размерные резонансы, наблюдаются экспериментально в димерах мышьяка на чистой поверхности арсенида галлия в спектрах анизотропного отражения света.
9
4. Получено стационарное решение модифицированных уравнений Блоха двухатомного наноструктурного объекта в поле внешнего интенсивного излучения с учетом диполь-дипольного взаимодействия атомов и нелинейных свойств атомов объекта. Доказано, на основе полученного решения, что свойства нелинейных статических оптических размерных резонансов существенно зависят от интенсивности падающего света, начальных инверсий атомов и от ориентации наноструктурного объекта по отношению к направлению падения внешнего поля.
Апробации и внедрение результатов исследования. Основные теоретические положения и выводы нашли отражение в шести печатных работах [97-102]. Они докладывались на региональных и международных конференциях в 1997-2001 гг.
Структуру диссертационной работы можно представить следующим образом:
Общий текст диссертации включает в себя введение, четыре главы, заключение, список цитируемой литературы и приложения, в которых собраны иллюстрации и материалы не вошедшие в основной текст работы. Главы 1, 2 и 4 предваряются небольшими введениями содержащими краткий экскурс в историю рассматриваемой проблемы и обзор научной литературы по рассматриваемой в данной главе проблеме.
Глава 1 «Долгоживущий атом позитрония в поле оптического лазерного излучения» посвящена квантовомеханическому рассмотрению кинетики распада электрон-нозитронной пары в присутствии электромагнитного поля оптического диапазона. В данной главе также обсуждаются проблемы управления временем жизни атома парапозитрония и некоторые аспекты создания приборов на основе рассматриваемого эффекта.
- Київ+380960830922