磁诱导三维拓扑绝缘体波导中的导模

在三维拓扑绝缘体表面上外加铁磁条形成的磁势垒量子阱,通过控制入射电子能量,使得入射电子波限制在势阱中传播,并由波函数的连续性求得磁诱导三维拓扑绝缘体波导的色散方程.由于此方程是超越方程,不能解析求解,因此本文采用图解法求解色散方程的解,研究表明:在入射电子能量大于磁势垒和小于磁势垒的情况下,都能够形成波导;当入射电子的能量大于磁矢势时,波导能够支持基模,而且模式阶数也依次递增;而当入射电子能量小于磁矢势时,波导能够承载的导模数量有所减少.通过研究波导中导模几率密度的空间分布,发现三维拓扑绝缘体表面上磁场诱导的电子波导能够很好地束缚电子,而且低阶模对电子的束缚能力强于高阶模.此外,本文也推导出了波导的几率流密度分布的公式.     

磁场下非对称T型量子波导的电子输运行为

运用模匹配方法和求解单电子薛定谔方程,来演示非对称T型磁量子结构的电子输运性质.结果表明,结构因子和磁势垒都能改变电子散射模数,电子输运谱因此变得复杂而丰富,散射区域出现了完全局域态和磁边缘态.在特定的结构参数和磁场强度下,能观测到宽谷、尖峰、共振透射和共振反射等电子输运现象,即可以通过调节磁场大小和结构参数来实现波矢过滤. 关键词： 介观体系 电子输运 磁效应     

磁台阶势垒结构中二维电子气的自旋极化输运

运用散射矩阵方法,研究了台阶磁势垒量子结构中二维电子气的隧穿输运性质.结果表明：在零偏压下,电子传输概率的自旋极化曲线随入射能量的增加而振荡衰减;随着磁台阶数的增加,电子传输概率的自旋极化度最大值减小,同时电子传输概率的自旋极化度振荡衰减也越来越慢;随着磁台阶的总宽度增加,电子传输概率的自旋极化曲线出现更明显的振荡,电子隧穿磁台阶势垒表现出明显的量子尺寸效应;在偏置电压的作用下,电子传输概率的自旋极化度在宽广的入射能量区出现明显的振荡增大,电子隧穿磁台阶势垒表现出更明显的自旋过滤效应. 关键词： 磁台阶势垒 自旋极化 自旋过滤     

磁量子结构中二维自旋电子的隧穿输运

研究了零偏压和偏置电压作用下磁量子结构中自旋电子的隧穿输运性质. 结果表明电子自旋 输运的性质不仅取决于磁量子结构的构型、入射电子的能量和波矢, 而且取决于偏置电压. 在零偏压下, 由等同的磁垒磁阱构成的磁量子结构不具有自旋过滤的特点, 而由不等同的磁 垒磁阱构成的磁量子结构却具有较好的自旋过滤特点. 偏置电压极大地改变了磁量子结构中 电子的极化程度, 使得电子隧穿等同的磁垒磁阱构成的磁量子结构的输运性质也显著地依赖 于电子的自旋指向. 关键词： 磁量子结构 自旋电子 隧穿输运 自旋极化     

双孤子非线性干涉中的狄拉克磁单极势

本文深入研究了孤子干涉过程中的相位演化特性及其背后的拓扑矢势.基于一维非线性薛定谔方程的双孤子解,发现波函数密度零点广泛存在于拓展的复平面内,并且每一个密度零点对应狄拉克磁单极的矢势场.矢势场是由周期排布的具有相反磁荷的狄拉克磁单极对组成.通过观察磁单极子的运动,可以方便地理解干涉过程中的相位演化特征.特别发现,一对正负磁单极对在实轴上的碰撞恰好对应波函数相位在节点处的π跃变.此外,还对比讨论了线性波包干涉动力学中的狄拉克磁单极.结果表明狄拉克磁单极势广泛存在于波场的干涉现象之中,并且磁单极在拓展的复平面内分布特征可用于区分线性干涉和非线性干涉过程背后的拓扑性质.     

二维电子波导/量子点结构中第二激发态对Fano共振的影响

本文用解析理论研究电子波导管/量子点系统中Fano共振透射问题.在第一能量窗口中考虑高激发态影响,发现共振透射率和峰位基本保持不变,但是远离共振区的透射率明显低于只考虑第一激发态的情况.在第二能量窗口中,入射波有两个本征模,两个入射模产生的Fano共振基本在同一个位置.每一个入射本征模都可激发起两个传播模,其中的Fano共振是由与入射模波矢一致的传播模产生的.外电势会以线性关系影响共振峰位.     

Cu2+离子注入的石英光波导的特性研究

利用Cu2+离子注入的方式在熔融石英和石英晶体上分别制备了平面光波导结构.通过棱镜耦合实验测试了两种光波导的导模特性,结果表明:在同样的注入条件下熔融石英上形成了增加型的光波导结构,而石英晶体上形成了位垒型的光波导结构.研究了退火温度对两种光波导导模折射率的影响,熔融石英光波导中导模的折射率随着退火温度的升高而降低,而石英晶体光波导中导模的折射率随着退火温度的升高先增加后降低.为了进一步分析离子注入两种材料形成光波导的微观机理,利用SRIM模拟了Cu2+离子注入两种材料的电子能量损失和核能量损失,并且模拟了两种光波导结构的折射率分布.模拟结果表明:熔融石英光波导的主要形成原因是离子注入表面的折射率大于其体材料的折射率,而石英晶体光波导的主要形成原因是离子射程末端的折射率小于其体材料的折射率.因此,在熔融石英光波导的形成中电子能量损失起主要作用,而在石英晶体光波导的形成中核能量损失起主要作用.     

Cu~(2+)离子注入的石英光波导的特性研究（英文）

利用Cu~(2+)离子注入的方式在熔融石英和石英晶体上分别制备了平面光波导结构.通过棱镜耦合实验测试了两种光波导的导模特性,结果表明:在同样的注入条件下熔融石英上形成了增加型的光波导结构,而石英晶体上形成了位垒型的光波导结构.研究了退火温度对两种光波导导模折射率的影响,熔融石英光波导中导模的折射率随着退火温度的升高而降低,而石英晶体光波导中导模的折射率随着退火温度的升高先增加后降低.为了进一步分析离子注入两种材料形成光波导的微观机理,利用SRIM模拟了Cu~(2+)离子注入两种材料的电子能量损失和核能量损失,并且模拟了两种光波导结构的折射率分布.模拟结果表明:熔融石英光波导的主要形成原因是离子注入表面的折射率大于其体材料的折射率,而石英晶体光波导的主要形成原因是离子射程末端的折射率小于其体材料的折射率.因此,在熔融石英光波导的形成中电子能量损失起主要作用,而在石英晶体光波导的形成中核能量损失起主要作用.     

新型高分辨率电子能量损失谱仪与表面元激发研究

高分辨率电子能量损失谱仪利用单色平行电子束入射样品表面,与表面吸附基团的化学键振动、表面声子、电子及其集体激发模式等相互作用而被散射,通过分析散射电子的能量和动量,可以测量表面化学键、晶格动力学、电子态占据以及表面等离激元等的精确信息,是表面科学研究的有力工具.最近,能够对电子能量、动量做二维成像探测分析的半球形电子能量分析器被引入电子能量损失谱仪,实现了高能量、动量分辨率的高效率测量.在对FeSe/SrTiO_3界面超导增强物理机制的研究中,不同厚度的FeSe膜表面的电子能量损失谱表明衬底光学声子产生的偶极电场能够穿透到薄膜内部,诱导较强的电子-声子耦合作用,从而增强薄膜中电子的配对作用,进而使超导转变温度显著提高.三维拓扑绝缘体Bi_2Se_3表面大动量范围的电子能量损失谱还显示出一支奇异的电子集体激发模式,其色散特征不受晶格周期性的限制,而且其寿命和强度几乎不随动量的增加而衰减.这说明在拓扑绝缘体表面,不仅是狄拉克电子态本身,其集体激发也受到拓扑保护.充分发挥新型电子能量损失谱仪观测表面元激发分辨率高、动态范围大的优势,将有力地推动表面界面凝聚态物理问题研究的深入和发展.     

单斜BiScO_3和BiCrO_3的电子结构和光学性质的第一性原理比较研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对单斜BiScO_3和BiCrO_3的电子结构和光学性质进行了比较研究.结果表明:BiScO_3为无磁绝缘体,带隙为直接带隙,BiCrO_3为间接带隙磁性半导体;BiScO_3和BiCrO_3都不吸收能量小于1.02 eV的光子,BiScO_3吸收可见光的能力强于BiCrO_3.     

介质表面附近微波大气击穿的理论研究

将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解, 对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究. 分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究. 一维计算结果发现在n_e = 0, j = 0两种边界条件下, 虽然形成的等离子体密度分布相差较大, 但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大. 初始电子数密度厚度为20 mm的条件下, 得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况. 二维计算结果发现, 由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强, 电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体, 当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时, 波导中心介质表面处微波场强减小, 等离子体区域沿着介质表面向两侧移动. TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值, 因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.     

未磁化等离子体介质切连科夫脉塞的线性理论

利用线性自洽场理论，讨论了电子在扰动场作用下的三维扰动．在此基础上，对常用的薄环形相对论电子环束在填充未磁化等离子体的介质筒慢波波导中激励的切连科夫辐射进行了详细的分析，导出了此电子环束与慢波系统中任意波导模互作用的色散方程和波增长率，并对其进行了详细的分析和讨论．分析表明切连科夫辐射是由其波导模与电子注模耦合所致．最后详细计算和分析了等离子体密度对色散特性和波增长率的影响 关键词：     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性     

一种分析三维楔脊形光波导与光纤耦合的方法

和直波导的不同在于，三维楔脊形波导中的光场都是不稳定的.分别对波导-光纤耦合、光纤-波导耦合两种情况，将三维楔脊形波导等效为多段短的直波导，利用束传播法同时对三维楔脊形波导内不稳定的入射、反射场，及它们在传播方向上的偏导进行处理，再用自由空间辐射模法计算透射率和反射率.以SOI楔脊形波导和光纤的耦合为例，验证了该方法的可行性. 关键词： 自由空间辐射模法 束传播法 耦合 透射 楔脊形光波导 绝缘体上硅(SOI)     

光折变表面波诱导的薄层波导中的导波模式

利用数值模拟对扩散非线性机制下由光折变表面波诱导的薄层波导中导模的形成和特点进行了研究。采用分布傅里叶法对导模的传输特性进行了模拟。通过求解本征方程,对光折变表面波诱导的薄层波导中存在的导波模式进行了数值求解。通过调节传播常数和波导参数的方法,可以控制导模的阶数和传播波形。随着阶数的增加,导模轮廓的对称性越来越差;随着波导参数的增加,导模的峰值振幅单调递增。导模的能量主要聚集在晶体薄层波导中靠近-c轴的一侧,随着传播常数的增大,导模能量先减小后增大,且导模可以稳定传播。     

填充等离子体的介质契伦柯夫脉塞

 利用自洽线性场理论，普遍讨论了电子在扰动场作用下的三维扰动，进而分别对薄环形相对论电子注和实心相对论电子注在填充等离子体的介质筒慢波波导中激励的契伦柯夫辐射进行了详细的分析，导出了其色散方程和波增长率。分析表明注波互作用是由于慢波系统中的波导模与电子注模耦合所致，填充等离子体后能大大提高注波互作用效率，并详细计算和分析了等离子体密度和电子注半径对波增长率的影响。     

单斜BiScO3和BiCrO3的电子结构和光学性质的第一性原理比较研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对单斜BiScO3和BiCrO3的电子结构和光学性质进行了比较研究。结果表明：BiScO3为无磁绝缘体,带隙为直接带隙,BiCrO3为间接带隙磁性半导体;BiScO3和BiCrO3都不吸收能量小于1.02 eV的光子,BiScO3吸收可见光的能力强于BiCrO3。     

电子自旋隧穿反平行磁结构的尺度效应

本文采用转移矩阵法,系统地研究了磁势垒尺度d对磁量子结构中电子自旋输运的影响.结果表明:在理想δ函数型磁势垒结构中,若保持隧穿能量不变,随d的变化,透射系数呈现出明显的正弦或余弦型的周期性振荡,且振荡周期与是否考虑自旋无关.而对于真实δ函数型磁势垒结构,随d的变化,透射系数的周期性振荡的规律明显消失.另外,当电子自旋分别隧穿理想δ函数型磁势垒结构与真实δ函数型磁势垒结构时,隧穿电导随d的变化也存在较大差异.研究结果表明:尺寸的变化对器件的性能产生了较大的影响;且采用理想δ函数型磁势垒结构得出的结论可能了偏离实际应用中的真实δ函数型磁势垒结构的物理规律.     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流,其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下,同轴波导中的束流具有更高的动能,同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程,利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时,编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果,可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模,频率为7.67 GHz,峰值时间增长率较高,电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率,还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。     

8 mm回旋行波管和返波管的三折螺旋波纹波导色散分析

 三折螺旋波纹波导使TE11模和TE21模相互耦合,其色散曲线能够在宽频带内与电子回旋共振,因此需要对色散方程进行研究。提出了适合工程实用的行波模式和返波模式的色散方程,并对方程中的耦合系数进行了简化,误差在1%左右。利用CST软件的VBA语言对螺旋波纹波导进行建模和计算,根据模拟得到的传输特性曲线的特点,提出一种模拟方法,将模拟与理论计算得到的色散曲线作对比,误差在5%左右。