[ad_1]
Dependiendo de la estructura del defecto, los defectos funcionales en los medios periódicos confinan las ondas en múltiples dimensiones. Si bien los defectos están representados por una superred con una estructura de banda estándar que representa los niveles de energía, cuantificar el confinamiento asociado con una banda en particular es extremadamente difícil y actualmente no se dispone de un enfoque analítico.
Representación de un cristal tridimensional con diferentes tipos de centros de confinamiento. Las esferas azules representan celdas unitarias no modificadas y las esferas rojas son centros limitantes. (a) Cristal con cuatro centros de confinamiento, cada uno de los cuales atrapa ondas (amarillo) en las tres dimensiones (c=3) simultáneamente. (b) Cristal con un centro de confinamiento lineal en el que las ondas pueden propagarse en una dimensión, de forma análoga a una fibra óptica (c = 2). (c) Cristal con un centro de confinamiento plano en el que las ondas pueden propagarse en dos dimensiones, de forma análoga a un gas de electrones 2D (c = 1). Crédito de la foto: Universidad de Twente
Un artículo publicado en Physical Review Letters propuso un enfoque sólido para clasificar la dimensionalidad del confinamiento de ondas. Comenzando con el volumen modal y la energía de inclusión, se utilizó una escala de tamaño finito para descubrir que las proporciones de estos valores elevados a potencias específicas revelaron la dimensionalidad de inclusión de cada banda.
En comparación con los cálculos de estructura de bandas, la clasificación propuesta en este trabajo no requirió ningún esfuerzo computacional y fue válida tanto para ondas clásicas como cuánticas en todas las dimensiones. El presente enfoque de confinamiento electrónico se ha demostrado en nitruro de boro hexagonal (hBN) bidimensional (2D) con una vacante de nitrógeno a escala cuántica, en consonancia con los resultados anteriores.
Además, se estudió una superred fotónica de cavidad de banda prohibida tridimensional (3D), que mostró un comportamiento único similar al de un aceptor.
Aplicaciones del confinamiento de pozos
El control total del transporte de ondas es un reto y fundamental para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, el transporte de ondas acústicas clásicas ha permitido la detección, la obtención de imágenes por ultrasonido y la navegación.
El control del espín y el transporte de electrones en el dominio cuántico ha dado lugar a grandes avances en el funcionamiento de los dispositivos nanoelectrónicos. El control de la transmisión de luz en los dominios clásico y cuántico de la fotónica ha llevado a avances tecnológicos significativos en células solares, fuentes de luz cuántica, almacenamiento óptico y cavidades de almacenamiento en escala micro a nano.
El confinamiento de ondas mediante la introducción de defectos funcionales o perturbaciones en medios periódicos es un método intrigante para controlar la propagación de ondas. Tal interferencia estructura-onda alterada puede inducir una fuerte concentración de energía dentro de un pequeño volumen del medio.
El análisis de la concentración de energía espacial de un sistema físico es tradicionalmente posible a través del volumen modal en fotónica y la relación de participación en la física de la materia condensada. Las bandas con un índice de participación o un volumen modal pequeños se limitaron, y aquellas con un índice de participación o un volumen modal elevados se consideraron expandidas. Además, por supuesto, dado que no se imponen límites estrictos, la noción de «pequeño» y «grande» es subjetiva.
Alternativamente, el confinamiento de las olas se puede determinar en base a un análisis multifractal basado en la medición de la relación de participación dentro de una supercélula infinitamente grande. Sin embargo, este enfoque requiere supercélulas imposiblemente grandes, agravadas por su incapacidad para manejar el plegado de bandas.
2D-hBN es un isomorfo de grafeno con una estructura en capas muy similar, caracterizado únicamente por sus exóticas propiedades optoeléctricas, robustez mecánica, estabilidad térmica e inercia química.
hBN es inherentemente covalente, y los electrones en el enlace sigma están localizados hacia el nitrógeno, mientras que el enlace pi existente involucra un orbital p vacío de boro y un orbital p lleno de nitrógeno, con los electrones pi del nitrógeno deslocalizados.
Teoría de escalamiento del confinamiento de ondas
El presente trabajo demostró un método riguroso para determinar el confinamiento de ondas en defectos que contienen estructuras periódicas. Este método se basa en una escala de tamaño finito que determina el confinamiento de la onda en supercélulas de tamaño moderado, en lugar de expandirlas a tamaños muy grandes.
En consecuencia, el método actual tiene un costo computacional relativamente bajo y sus hallazgos se pueden aplicar a sistemas limitados relevantes en la práctica. Este enfoque es una extensión práctica y accesible del concepto multifractal y se presta a la clasificación automática.
La teoría de la escala del confinamiento de las olas se determinó utilizando 2D-hBN, con vacantes de nitrógeno que representan defectos puntuales. Aquí se estudió el confinamiento electrónico en una supercélula de tamaño (N) de 5. Se realizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para determinar las densidades de carga y las estructuras de banda.
Investigadores anteriores han mencionado que en estructuras con dimensiones más altas no existe una correlación directa entre el acoplamiento y la dispersión en una dirección específica, lo que dificulta la evaluación del confinamiento mediante el análisis de dispersión de banda.
Sin embargo, el presente método permitió la determinación del confinamiento de onda en estructuras de alta dimensión, lo que se demostró mediante el uso de un cristal fotónico de pila de madera 3D inversa con dos defectos de línea adyacentes, que de otra manera no satisfaría los argumentos de dispersión en la literatura.
Además, este método no se limitó a las impurezas o defectos que contenían superredes, sino que también se aplicó para analizar cualquier superred superpuesta a otra red, lo cual es relevante para las redes de banda plana y de Lieb.
Conclusión
En resumen, en este trabajo se ha propuesto una teoría de escalamiento sistemático para analizar el confinamiento de onda de una superred periódica, que es relevante para cualquier forma de onda física. La cantidad insignificante de cálculo es más ventajosa que el cálculo de la estructura de banda compleja anterior.
Este enfoque es directamente aplicable a las estructuras cuasi-periódicas y periódicas estudiadas actualmente y a los algoritmos de optimización destinados a minimizar o maximizar ciertas formas de confinamiento de ondas.
Relación
Kozoň, M., Lagendijk, A., Schlottbom, M., van der Vegt, JJ, Vos, WL (2022). Teoría de escalamiento del confinamiento de ondas en sistemas periódicos clásicos y cuánticos. Cartas de verificación física. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.176401
[ad_2]