Introduzione cristalli fotonici. Metodi di realizzazione cristalli fotonici. Guide d’onda. Difetti di punto in PhC. Rifrazione negativa. Effetto Purcell. Strong coupling.
6 Lezioni seminariali in recenti risultati t
Libri consigliati
Richiami elettromagnetismo
C. Mencuccini e V. Silvestrini, Fisica II, Elettromagnetismo Ottica, (Liguori editore 1998)
Onde evanescenti
A.K. Ghatak and K. Thyagarajan, Contemporary Optics, (Plenum Press)
Cristalli Anisotropi
A. Yariv and P. Yeh, Optical waves in crystals (Wiley )
Matrici M e sistemi 1D
B.E.A.Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics (Wiley, 2nd Edition)
Quantum well e dots
P. Harrison, Quantum wells, wires and dots, (Wiley)
Cristalli fotonici
J.D.Joannopolous, S.G.Johnson, J.N.Winn and R.D.Meade, Photonic Crystals (Princeton University Press, 2nd Edition)
J-M. Lourtioz: Photonic Crystals, towards nanoscale photonic devices (Springer 2005)
Plasmonica
Sergey V. Gaponenko, Introduction to Nanophotonic, (Cambridge 2010)
Articoli
[1] G.C. Reali , Reflection from dielectric materials, Am. J. Phys. 50, 1133 (1982)
[2] F. Intonti et al. Phys. Rev. B 78, 041401 (2008).
[3] S. Vignolini et al. PRL97, 063101 (2010)
[4] N. Caselli et al. Scientific Reports, 5 9606 (2015)
Obiettivi Formativi
Conoscenza approfondita delle leggi dell’elettromagnetismo e della fotonica. Capacità di affrontare, impostare e risolvere correttamente problemi di elettromagnetismo, ottica e fotonica. Saper applicare le conoscenze acquisite in situazioni diverse a quelle già affrontate
Esame orale articolato in due parti: nella prima parte verranno poste domande sulla prima parte del corso (concetti generali quali propagazione di onde elettromagnetiche, velocità di gruppo e di energia, metodo grafico per la rifrazione, propagazione in mezzi anisotropi, modi guidati, relazione di dispersione della luce e diagramma a bande, proprietà e applicazioni dei cristalli fotonici, densità locale degli stati) a cui seguirà un piccolo contributo seminariale su un argomento scelto dallo studente sulla II parte del corso in cui vengono illustrati recenti risultati scientifici (risonanze plasmoniche, laser senza soglia quasi cristalli, campo vicino e super risoluzione, non hermitianicità della fotonica). La modalità dell'esame consente di valutare la specifica preparazione di base e la capacità acquisita di elaborazione/approfondimento.
Programma del corso
Lista lezioni
1) Richiami di elettromagnetismo. Eq. Maxwell. Eq. Onde. Onde piane e sferiche. Polarizzazione e notazione complessa. Vettore di Poynting ed energia elettromagnetica
Dielettrici, vettore polarizzazione.Suscettività. Costante dielettrica. Eq. Onde mezzi materiali. Dispersione e velocità di gruppo e dellea energia (Mencuccini, IX 1-9; X.3,5,6);
2) Emissione di dipolo. Propagazione nei dielettrici come somma delle onde elementari. Teorema di estinzione. Riflessione come fenomeno di volume (Mencuccini IX-15, [1]);
3) Boundary conditions. Eq. Di Snell. Onde s e p. Relazioni di Fresnel. Angolo di Brewster e sua interpretazione con teorema di estinzione. Left handed materials (Mencuccini, X.1,2);
4) Cristalli anisotropi. Onda ordinaria e straordinaria. Onde non traverse. Velocità di gruppo non parallela a k. Birifrangenza (Yariv4);
5) Riflessione totale interna. Onde evanescenti. Goos Hänchen shift. (Mencuccini, X.1,2, Ghatak11);
6) Modi guidati in slab; (S:V. Gaponenko3.3)
7) Introduzione cristalli fotonici. Master equation. Hermitianicità, ortogonalità; Principio variazionale. Legge di scala. (Joannpoulus, 2);
8) Spettro discreto e continuo. Teoria delle perturbazioni. Teorema di Bloch. Esistenza bande. Analogia con MQ. (Joannpoulus, 2,3);
9) Caso unidimensionale. Multilayer. Matrici M. (Saleh,7);
10) Bragg mirror calcolo esplicito con matrici M.Esistenza stop band e sua interpretazione (Salech,7);
11) PhC 1D, bande.Stati fotonici. Propagazione fuori angolo. Omnidirectional mirrors. (Joannpoulus, 4); 11/11
12) PhC in due dimensioni. Modi TE e TM. Origine band gap. Distribuzione dei modi, stati di superficie. (Joannopolous 5-9);
13) PhC in tre dimensioni. Opali. Yablonite e true photonic band gap. Membrane e slab (Joannopolous 6,8);
14) Difetto unidimensionale. Cavità FP. Calcolo FP con riflessioni multiple. Dispersione modo MC planare. (Saleh,7);
15) Guide d’onda. Difetti di punto. Difetti in 3D. (Joannpoulus, 4);
16) Applicazioni per la propagazione in PhC. Rifrazione negativa, Superrefraction, Superlens, Superprism. (Joannopolous 6,10 pg221, J.M.Lourtioz et al. 6);
17) Emettitori a semiconduttore QDs. QDs in nanocavità. Effetto Purcell. Importanza della LDOS (J.M.Lourtioz et al. 7);
18) Strong coupling. Modello di Jaynes and Cummings.Ottimizzazione Q factor di cavità 13/12
19) Modello Drude Lorentz. Dispersione. Propagazione nei metalli Frequenza di plasma. Poynting vector. Negative Goos Hanchen shift. Plasmone di superficie. Nanoparticelle metalliche. Cenni a SERS, antenne e metamateriali (S:V. Gaponenko 6.1,6.2, 6.3)
20) Laser senza soglia. QDs come emettitori di singolo fotone. Funzioni di correlazione di campo e cenni HBT. Cenni criptografia quantistica. (J.M.Lourtioz et al. 7, 10.5);
21) Quasi crystals. Fibonacci multilayer Applicazioni: materiali a zero indice di rifrazione. Optical cloaking;
22) Near field e superresolution. Mode Imaging. ([2,3])
23) Non Hermitianicità della fotonica. Volume modale complesso e LDOS non Lorentziane.
24) Birifrangenza circolare. Giromagnetismo. Topological Photonics
Libri consigliati
Richiami elettromagnetismo
C. Mencuccini e V. Silvestrini, Fisica II, Elettromagnetismo Ottica, (Liguori editore 1998)
Onde evanescenti
A.K. Ghatak and K. Thyagarajan, Contemporary Optics, (Plenum Press)
Cristalli Anisotropi
A. Yariv and P. Yeh, Optical waves in crystals (Wiley )
Matrici M e sistemi 1D
B.E.A.Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics (Wiley, 2nd Edition)
Quantum well e dots
P. Harrison, Quantum wells, wires and dots, (Wiley)
Cristalli fotonici
J.D.Joannopolous, S.G.Johnson, J.N.Winn and R.D.Meade, Photonic Crystals (Princeton University Press, 2nd Edition)
J-M. Lourtioz: Photonic Crystals, towards nanoscale photonic devices (Springer 2005)
Plasmonica
Sergey V. Gaponenko, Introduction to Nanophotonic, (Cambridge 2010)
Articoli
[1] G.C. Reali , Reflection from dielectric materials, Am. J. Phys. 50, 1133 (1982)
[2] F. Intonti et al. Phys. Rev. B 78, 041401 (2008).
[3] S. Vignolini et al. PRL97, 063101 (2010)
[4] N. Caselli et al. Scientific Reports, 5 9606 (2015)