Квантово-электродинамические эффекты в фотонных кристаллах и управление энергией ионизации атомов и частотами фотонов, излучаемых квантовыми точками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Гарифуллин Адель Ильдусович

• Гарифуллин Адель Ильдусович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Гарифуллин Адель Ильдусович

Введение

Глава 1. Общие сведения о фотонных кристаллах

1.1. Концепция фотонного кристалла

1.2. Методы создания фотонных кристаллов

1.3. Квантово-электродинамические эффекты в фотонных кристаллах

Глава 2. Дисперсионные соотношения и плотность фотонных состояний в

одномерном фотонном кристалле

2.1. Метод плоских волн

2.2. Метод матриц распространения

2.2.1. Распространение электромагнитного поля в периодической структуре в виде чередующихся слоев

2.2.2. Распространение электромагнитного поля в периодической структуре в виде полубесконечного и бесконечного периодических мультислоев

2.3. Плотность фотонных состояний для одномерного фотонного кристалла

2.3.1. Расчет плотности состояний для одномерной периодической

структуры

2.4. Влияние модификации электромагнитного поля в фотонных кристаллах на самовзаимодействие квантовых точек

Глава 3. Оператор электромагнитной массы электрона в одномерном фотонном кристалле 74 3.1. Расчет поправки к кинетической энергии атомного электрона, находящегося в среде фотонного кристалла

3.2. Расчет матричных элементов собственно-энергетической поправки электрона в среде фотонного кристалла

3.3. Расчет поправки к кинетической энергии электрона атома водорода, находящегося в полости одномерного фотонного кристалла

3.4. Вывод оператора электромагнитной массы электрона в одномерном фотонном кристалле

3.5. Расчет спектров излучения одиночной квантовой точки, помещенной в одномерный фотонный кристалл

3.6. Конечность поправки к массе электрона в среде фотонного кристалла

Глава 4. Расчет поправки к энергии ионизации атомов в одномерном фотонном кристалле

4.1. Гамильтониан атома в среде фотонного кристалла

4.2. Фотонные кристаллы на основе сред с высоким показателем преломления

4.2.1. Модели эффективной среды

4.2.2. Теоретические исследования и экспериментальная реализация метаматериалов с высоким показателем преломления

4.3. Расчет поправки к энергии ионизации атома водорода и щелочных металлов в одномерном фотонном кристалле

4.4. Схема экспериментальной проверки эффекта изменения энергии ионизации атомов в среде фотонных кристаллов

Заключение

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Литература

Благодарности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Квантово-электродинамические эффекты в фотонных кристаллах и управление энергией ионизации атомов и частотами фотонов, излучаемых квантовыми точками»

Введение

Актуальность темы исследования. Периодические изменения в физико-химических свойствах химических элементов определяются периодическим изменением их энергий ионизации [1]. Данные величины являются постоянными для каждого элемента, что показано в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Энергия ионизации в значительной степени определяет природу, а также прочность образуемых атомом химических связей. Важной физико-химической задачей в современной науке является ускорение химических и биохимических реакций в ограниченном пространстве, например, в микрополостях и в пористых материалах [2,3]. Это, в свою очередь, важно для изучения химической кинетики реакций в ограниченном пространстве, а также для синтеза новых химических соединений, которые достаточно трудно создать в объемном растворе.

Вместе с этим, мы являемся свидетелями бурного развития оптических квантовых технологий, которое неразрывно связано с открытием, наблюдением и исследованием совершенно необычных квантовых эффектов. Будучи фундаментальными, квантовые эффекты начинают проявлять себя и активно использоваться в различных приложениях: при создании новых материалов с совершенно уникальными свойствами и возможностями, при разработке сверхбыстрых оптических - квантовых компьютеров, использующих законы квантовой теории для генерации, передачи, обработки и хранения информации и др. [4-6]. В последние несколько десятилетий новые материалы как фотонные кристаллы (ФК) являются объектом активных исследований по всему миру. ФК имеют периодический диэлектрический профиль в различных направлениях, и, как следствие, в их спектрах образуются фотонные запрещенные зоны (ФЗЗ) [7-16]. На основе свойств ФЗЗ ФК являются важной средой для создания различных устройств фотоники: дифракционные решетки и фильтры [17,18], волноводы и оптические переключатели [19-22],

сенсоры [23-26], низкопороговые лазеры и оптические запоминающие устройства [27-30], совместное применение которых является необходимым условием для создания квантовых компьютеров [31-36].

Начиная с пионерских работ В. Быкова, Э. Яблоновича и С. Джона [7-9], научные группы активно изучают различные квантово-электродинамические (КЭД) эффекты в среде ФК, такие как управление частотой спонтанного излучения и скоростью его испускания [7,8,34,37-39], фотон-атомное связанное состояние и локализация излучения вблизи краев ФЗЗ [37,40], спектральное расщепление линий [39], немарковский характер радиационного затухания [41], усиление эффекта квантовой интерференции [42], изменение массы покоя электрона, вызванное модификацией взаимодействия заряженной частицы с собственным полем излучения [44] и др.

Для исследований КЭД эффектов в среде ФК необходимо знание свойств электромагнитного поля в периодической структуре. Собственные состояния электромагнитного поля описываются дисперсионными соотношениями, которые дают информацию о поведении фотона в периодической среде, что важно при расчете зонной структуры ФК. Зная собственные функции электромагнитного поля, мы можем построить спектры пропускания и поглощения. Они имеют тесную связь с плотностью фотонных состояний (ПС). Знание ПС в ФК является необходимым для описания различных КЭД явлений и процессов.

Вместе с этим, актуальной задачей современности является исследование влияния среды ФК на процессы взаимодействия заряженных частиц с собственным полем излучения. Оно выражается в изменении массы и энергии электрона, что находит свое отражение в дополнительных сдвигах и расщеплениях энергетических уровней атомов, находящихся в полостях ФК [44,45]. Так как химические свойства электронной системы тесно связаны с энергетическими уровнями и волновыми функциями, то изменение массы и энергии электрона в ограниченной среде - полостях ФК приводит к изменению энер-

гий ионизации атомов, следовательно, к изменению их физико-химических свойств. Это, как мы полагаем, позволит преодолеть ограничения, налагаемые периодическим законом таблицы химических элементов Менделеева на физико-химические процессы, и откроет новые горизонты в синтезе новых химических соединений, которые могут быть использованы в фармацевтике и в различных медицинских приложениях.

Вместе с этим, модифицированное электромагнитное поле ФК влияет на состояния, следовательно, на частоты фотонов, излучаемых квантовыми точками, которые помещены в периодическую среду ФК. Контроль состояний электрона или экситона (квазичастицы из электрона и дырки) искусственного атома, осуществляемый с помощью управления его собственно-энергетической функцией, позволит сохранить когерентность света, что важно для создания однофотонных источников света с управляемой частотой генерируемых фотонов.

Целью диссертационной работы является развитие методов управления энергией ионизации, следовательно, управления физико-химическими свойствами атомов, помещенных в полости одномерных фотонных кристаллов на основе сред с высоким показателем преломления, а также управления частотами фотонов, излучаемых квантовыми точками. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассчитать дисперсионные соотношения, распределения компонент электромагнитного поля и плотности фотонных состояний для ТЕ-и ТМ-поляризации в одномерном фотонном кристалле с помощью численного решения квантово-полевых уравнений Максвелла методом плоских волн и методом матриц распространения.

2. Вывести оператор поправки к электромагнитной массе электрона и рассчитать величину поправки к энергии 5-состояния атома водорода и щелочных металлов, помещенных в полость одномерного фотонного кристалла.

3. Исследование влияния модификации взаимодействия электрона с собственным полем излучения в анизотропной среде одномерного фотонного кристалла на основе материалов с высоким показателем преломления на величину поправки к энергии ионизации атома водорода и щелочных металлов, а также на частоты фотонов, излучаемых квантовыми точками.

4. Рассчитать эффективный показатель преломления материалов, состоящих из ансамбля золотых наночастиц, покрытого пленкой из диоксида гафния, при различных периодах наноструктур с помощью модели эффективной среды с независимым контролем диэлектрической и магнитной проницаемости.

Научная новизна.

1. Выведен оператор собственно-энергетической поправки к электромагнитной массе электрона, помещенного в полость одномерного фотонного кристалла.

2. Предложено при синтезе одномерного фотонного кристалла использовать материалы с высоким показателем преломления в качестве оптически плотных слоев фотонно-кристаллической структуры.

3. Выведена собственно-энергетическая поправка к энергии ионизации атома водорода и щелочных металлов, помещенных в полости одномерного фотонного кристалла.

4. Впервые установлено, что модификация взаимодействия электрона с собственным полем излучения в среде фотонных кристаллов значительно влияет на величину энергии ионизации помещенных в них атомов, а также на частоты фотонов, излучаемых квантовыми точками.

5. Показано, что поправка к энергии ионизации атомов является анизотропной величиной, которая зависит от направления импульса освобожденного электрона относительно оси периодичности одномерного

фотонного кристалла. Установлено, что абсолютное значение поправки к энергии ионизации атомов растет квадратично с увеличением оптического контраста фотонно-кристаллической структуры. Таким образом, в качестве оптически плотных слоев одномерного фотонного кристалла использовались материалы с высоким показателем преломления. Изменяя параметры фотонного кристалла, такие как показатель преломления и толщина оптически плотных слоев, мы можем управлять энергией ионизацией атомов в достаточно широком диапазоне. Это позволяет преодолеть ограничения, налагаемые периодическим законом таблицы химических элементов Менделеева на физико-химические процессы, и открывает новые горизонты в синтезе новых химических соединений, которые могут быть использованы в фармацевтике и в различных медицинских приложениях.

6. Показано, что эффект изменения массы электрона позволяет управлять энергетическими уровнями квантовых точек, помещенных в периодическую среду фотонного кристалла. Изменяя показатель преломления с помощью эффекта Керра, можно управлять частотами фотонов, излучаемых квантовыми точками. Это может быть важно для создания однофотонных источников с управляемой частотой генерируемых фотонов.

Научная значимость и практическая ценность работы. Обнаружены закономерности влияния среды одномерного фотонного кристалла на процесс взаимодействия электрона с собственным полем излучения, выражающимся в изменении энергии ионизации атомов и частот фотонов, излучаемых квантовыми точками, помещенных в полости фотонно-кристаллической структуры. Полученные и доказанные в настоящей работе анизотропность поправки к энергии ионизации атомов, а также ее квадратичный рост с увеличением показателя преломления оптически плотных слоев периодической структуры могут быть использованы для управления энергией ионизации

атомов, помещенных в полости искусственной среды фотонных кристаллов. Как мы полагаем, данное исследование позволит преодолеть ограничения, налагаемые периодическим законом таблицы химических элементов Менделеева на физико-химические процессы, и открывает новые горизонты в синтезе новых химических соединений, которые могут быть использованы в фармацевтике и в различных медицинских приложениях. Показано, что эффект изменения массы электрона позволяет управлять энергетическими уровнями квантовых точек, помещенных в фотонный кристалл. Изменяя показатель преломления с помощью эффекта Керра, можно управлять частотами фотонов, излучаемых квантовыми точками. Это может быть важно для создания однофотонных источников с управляемой частотой генерируемых фотонов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Эффект изменения массы электрона приводит к изменению энергии ионизации атомов, помещенных в полости фотонно-кристаллической структуры.

2. Этот эффект и возможность управления эффективным показателем преломления материалов, из которых сделан фотонный кристалл, позволяет управлять физико-химическими процессами, синтезом химических соединений в ограниченной среде фотонного кристалла.

3. Эффект изменения массы электрона позволяет управлять энергетическими уровнями квантовых точек, помещенных в фотонный кристалл. Изменение показателя преломления с помощью эффекта Керра позволяет управлять частотами фотонов, излучаемых квантовыми точками, что необходимо для создания однофотонных источников с управляемой частотой генерируемых фотонов.

Достоверность полученных результатов, изложенных в настоящей работе, обеспечивается корректностью поставленной цели и задач, строгостью математических преобразований и корректностью физический допущений, использованием классических и современных квантово-

электродинамических методов, которые являются наиболее точными в современной физике.

Апробация работы. Основные выводы и результаты работы докладывались на 2 всероссийских и 12 международных конференциях:

I. VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2013» (НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, 2013);

2-7. XVIII - XXIII Международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (КФУ, г. Казань, 2014 - 2019);

8. Всероссийская школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (КФУ, г. Казань, 2014);

9. Международный семинар «Нелинейная фотоника: теория, материалы, приложения» (СПбГУ, г. Санкт-Петербург, 2015);

10. V Международная конференция по фотонике и информационной оптике (НИЯУ МИФИ, г. Москва, 2016);

II. XI Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС - 2017) (Российская академия наук, г. Светлогорск, 2017);

12. XVI Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (Самара - 2018) (СФ ФИАН, г. Самара, 2018);

13. XIII Международные чтения по квантовой оптике (IWQO-2019) (Вл-ГУ, г. Владимир, 2019);

14. XXIV Объединенная международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» и «Квантовая информатика и квантовые сенсоры на основе алмазов» (КФУ, г. Казань, 2020).

Доклады № 1 и № 12 были отмечены дипломами.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [А1 - А8], в рекомендованных ВАК журналах и сборниках тезисов и трудов конференций [А9 - А18].

Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач по теме

диссертации и определении подходов их решения; в анализе литературных данных; в выводе оператора собственно-энергетической поправки к электромагнитной массе электрона, поправки к энергии ионизации атомов и собственно-энергетической функции экситона квантовой точки, помещенных в полости одномерного фотонного кристалла. Численные расчеты функции дисперсии метаматериалов с высоким показателем преломления, расчет величины поправки к энергии ионизации атомов, собственно-энергетической функции экситона и спектров излучения квантовой точки проводились лично автором. Автор участвовал в обсуждении результатов научной работы, а также в формулировке выводов. Подготовка к публикации результатов исследований велась при непосредственном участии автора настоящей диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторских публикаций по теме диссертации и списка литературы, включающего 210 наименований. Объем диссертационной работы составляет 153 страницы, включая 37 иллюстраций.

Во введении обсуждается актуальность проведенных исследований, формулируется цель, задачи и научная новизна работы, перечисляются основные положения, выносимые на защиту, а также дается краткое описание диссертации по главам.

В первой главе приведен литературный обзор, посвященный типам фотонных кристаллов и методам их изготовления, наблюдаемым и исследуемым квантово-электродинамическим эффектам в фотонно-кристаллической среде.

Во второй главе приводится обзор метода плоских волн и метода матриц распространения, необходимые для решения квантово-полевых уравнений Максвелла в одномерном фотонном кристалле. Обсуждаются преимущества и недостатки данных методов. Проведены расчеты дисперсионных соотношений, распределения компонент электромагнитного поля и плотно-

сти фотонных состояний для ТЕ- и ТМ-поляризации в одномерном фотонном кристалле. Приводится вывод и расчет собственно-энергетической функции экситона квантовой точки, помещенной в анизотропную среду фотонного кристалла.

Третья глава посвящена точному расчету оператора электромагнитной массы электрона в одномерном фотонном кристалле. На примере атома водорода, находящегося в ^-состоянии и помещенного в полости одномерной периодической структуры, продемонстрирован расчет поправки к массе и к кинетической энергии атомарного электрона. Приведены расчеты спектров излучения одиночной квантовой точки, помещенной в среду одномерного ФК. Показана конечность (нерасходимость) величины поправки к массе электрона в фотонно-кристаллической среде.

В четвертой главе приводится описание модифицированного гамильтониана атомов в среде фотонных кристаллов. Показана возможность использования материалов с высоким показателем преломления в качестве оптически плотных слоев фотонных кристаллов. Описываются различные модели эффективной среды, обсуждаются их преимущества и недостатки. Приводятся расчеты функции дисперсии метаматериалов с высоким показателем преломления. Продемонстрирован вывод, расчет и возможность управления величиной поправки к энергии ионизации атома водорода и щелочных металлов. Показано доказательство квадратичной зависимости данной поправки от показателя преломления оптически плотного слоя фотонного кристалла. В конце главы приводится описание основных принципов экспериментального наблюдения изменения энергии ионизации атомов в среде фотонного кристалла.

В заключении приводятся основные результаты и выводы.

Глава 1

Общие сведения о фотонных кристаллах

1.1. Концепция фотонного кристалла

Фотонными кристаллами называют огромное разнообразие природных и искусственных микро- и наноструктур. Фотонные кристаллы (ФК, от англ. Photonic Crystals) - композитные среды с периодической модуляцией показателя преломления вдоль одного, двух или трех выбранных направлений. В связи с дифракцией на периодической структуре в спектрах собственных электромагнитных состояний ФК возникает полная фотонная запрещенная зона (ФЗЗ), если распространение света в ФК подавлено во всех направлениях. Стоп-зона возникает при подавлении света лишь в конкретных направлениях [7-16]. В зависимости от направления модуляции показателя преломления существуют одномерные, двумерные и трехмерные ФК (рисунок 1.1). В связи с периодичностью структуры их дисперсионные соотношения значительным образом модифицируются по сравнению со случаем вакуума [9]. Дисперсионные соотношения - это зависимость собственных состояний (частот) от волнового вектора электромагнитного поля в среде ФК. В вакууме и в однородных средах с постоянным показателем преломления дисперсионные соотношения имеют линейный вид. В среде ФК они искажаются и обладают разрывами, соответствующими ФЗЗ (рисунок 1.2).

Оригинальная идея создания ФК возникла благодаря В. Быкову, Э. Яб-лоновичу и С. Джону, которые независимо предложили материал с периодической вариацией показателя преломления, влияющий на свойства фотонов аналогично полупроводникам, влияющим на свойства электронов [7-9]. В отличие от полупроводников, в общем случае, ФК не существуют в природе, их необходимо синтезировать. Необходимо создать периодическую диэлектрическую решетку с периодом порядка длины волны света. Обычно, структура

Рис. 1.1: Различные типы ФК: одномерный, двумерный и трехмерный ФК.

фотонно-кристаллической среды состоит из стержней, сфер, плиты. По аналогии с обычными кристаллами (в зависимости от ширины разрешенных и запрещенных зон), ФК можно разделить на диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники. Важной величиной, характеризующей поле в ФК, является плотность фотонных состояний (ПС) или плотность мод. Плотность фотонных состояний системы (от англ. Photonic Density of States, DOS) - величина, определяющая количество допустимых состояний системы, мод поля в интервале энергий, частоты или волнового вектора [9]. Одним из важных свойств ФК является возможность модификации ПС электромагнитного поля в заданном спектральном диапазоне. Также в ФК имеется возможность создания точечных дефектов путем локального разрушения периодичности сверхрешетки кристалла. Данные неоднородности имеют иной показатель преломления и могут создавать дефектные моды внутри ФЗЗ. Дефектные моды являются сильно локализованными и экспоненциально затухающими внутри кристалла. Кристалл, окружающий дефект, действует в качестве высокоотражающего зеркала. Таким образом, контролируя потери, появляется возможность создания высокодобротных резонаторов с размерами, пропорциональными Л3, что важно для приложений в квантовой оптике. В качестве альтернативы, вместо точечного дефекта можно ввести линейные

■ 1 .1 1

--дисперсионная зависимость для однородной среды

1 —дисперсионная зависимость ,, для периодической ^^

слоево? структуры ✓

✓

волновой вектор к

Рис. 1.2: Дисперсионные соотношения для однородной и периодической среды, широкие горизонтальные полосы обозначают ФЗЗ [9].

дефекты в фотонно-кристаллическую структуру, которая будет являться волноводом «без потерь». Комбинируя линейные и точечные дефекты, возможно создание различных фильтров, необходимых для построения полностью оптических схем [46].

Знание ПС важно для управления спонтанным излучением возбужденных атомов или молекул, помещенных в полости ФК [37]. Вместе с этим, данная величина необходима для изучения других квантово-электродинамических (КЭД) явлений и процессов [37,38,41,42,47-49]. В нашей работе мы будем рассматривать немагнитный ФК, состоящий, в первом случае, из диэлектриков, заряды и токи отсутствуют, и, во втором случае, из периодически расположенных слоев метаматериала на основе золотых наночастиц, покрытых диэлектрической матрицей из диоксида гафния, и слоев вакуума. Такие необычные оптические свойства ФК определяют широкую перспективу и важность их использования. Различными научными группами идет активная разработка различных устройств фотоники на основе ФК, а также практическая реализация теоретически предсказанных КЭД эффектов в периодической среде ФК.

1.2. Методы создания фотонных кристаллов

В настоящее время существуют различные методы изготовления ФК. Широкое распространение получили следующие методы: методы травления, го-лографические методы, метод самосборки (самопроизвольное формирование периодической наноструктуры) [50-60]. Довольно простым и широко распространенным методом синтеза ФК является метод самосборки, который состоит из метода естественной седиментации и метод вертикального осаждения.

Создание фотонных наноструктур методом коллоидной сборки. Самым простым способом получения коллоидных кристаллов является метод естественной седиментации (рисунок 1.3(а)), основанный на осаждении частиц на горизонтально расположенную подложку под действием силы тяжести. В этом методе образуются трехмерные образцы, и процесс занимает несколько месяцев. Альтернативным путем сборки структуры является метод вертикального осаждения (рисунок 1.3(б)). При этом подложку закрепляют вертикально в колбе с суспензией частиц. В результате испарения раствора мениск, который образуется между границей раздела фаз воздух-стекло-суспензия, движется вниз, создавая однородную по толщине пленку ФК. Площадь коллоидного кристалла определяется размерами подложки, а толщина пленки - концентрацией частиц в суспензии.

Создание фотонных наноструктур методом травления и голографии. Методы травления широко применяются для создания одномерных и двухмерных фотонно- кристаллических структур. Этот метод широко применяется при производстве интегральных схем и других полупроводниковых приборов. Основа метода состоит в создании на поверхности материала - каркаса ФК специальной маски из фоторезиста, которая формирует рисунок области травления [61,62]. Далее происходит травление поверхности материала ФК с фоторезистом, в областях, где нет фоторезиста, происходит травление поверхности материала - каркаса. Ограничением этого метода является ма-

Рис. 1.3: Методы синтеза фотонных кристаллов: (а) метод естественной седиментации и (б) метод вертикального осаждения.

лое пространственное разрешение фотолитографического процесса [63, 64]. Для преодоления этих ограничений применяют литографию электронным или ионным пучками [62,65-67].

Голографический метод, при котором происходит наложение на материал интерференции волн, распространяющихся в различных пространственных направлениях, позволяет «конструировать» одномерные, двумерные и трехмерные ФК. Этот метод является одним из самых перспективных для создания сложных структур [68,69].

1.3. Квантово-электродинамические эффекты в фотонных кристаллах

Пионерские работы по изучению КЭД эффектов в периодических структурах были посвящены рассмотрению спонтанного излучения атомов, помещенных в данные среды, и сильной локализации фотонов на краях ФЗЗ [7-9]. В работе [7] В. Быкова рассматривалась одномерная периодическая металло-диэлектрическая структура с периодом порядка 1 мкм, и возбужденный атом,

помещенный в полость этой среды, имел два канала спонтанной эмиссии: в первом случае, атом может спонтанно излучить фотоны в разрешенной зоне собственных электромагнитных частот рассматриваемой среды с переходом в основное состояние, при этом вероятность этого процесса довольно низкая; во втором случае, с вероятностью около 1, атом может перейти в т. н. «динамическое состояние», являющееся суперпозицией состояний возбужденного атома и ассоциированных с ним фотонов с частотами в зоне «непрозрачности» (ФЗЗ) среды, которые были «пленены», локализованы в полостях периодической структуры. Данное динамическое состояние является долгоживущим в связи с пренебрежимо малым поглощением фотонов диэлектриком, а также в связи с двухфотонным спонтанным излучением. Вместе с этим, автор работы описывает различные схемы экспериментального наблюдения спонтанной эмиссии и динамического состояния молекул аммиака, ионов хрома и неодима в одномерных периодических структурах с периодами в радио и в видимом диапазонах, соответственно.

В работе [8] Э. Яблонович изучает подавление спонтанного излучения атомов применительно в физике твердого тела (полупроводники, гетеропереходы биполярных транзисторов, солнечные элементы), а также в оптике при рассмотрении одномерной и трехмерной периодической диэлектрической структуры, где пространственная модуляция показателя преломления создает ФЗЗ в электромагнитных дисперсионных соотношениях. Подавление излучения в ФЗЗ позволяет использовать периодические диэлектрические структуры в качестве высококачественных зеркал, например, в качестве резонатора Фабри-Перо. Если электромагнитная запрещенная зона в гетеропереходах транзисторов перекрывает электронную запрещенную зону как минимум на несколько энергий кТ, то радиационная электрон-дырочная рекомбинация будет подавлена, при этом число носителей заряда будет постоянным, что важно при использовании электронной и дырочной проводимости полупроводниковых устройств, например, при контроле порога лазерной генерации в

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гарифуллин Адель Ильдусович, 2021 год

Литература

1. NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1) / A. Kramida [et al.] // National Institure of Standards and Technology. - 2019. - Режим доступа: https://physics. nist. gov/asd.

2. Acceleration of reaction in charged microdroplets / J.K. Lee [et al.] // Quarterly Reviews of Biophysics (QRB). - 2015. -V. 48. - № 4. - P. 437-444.

3. Reversible trapping and reaction acceleration within dynamically self-assembling nanoflasks / H. Zhao [et al.] // Nature Nanotech. - 2016. -V. 11. - № 1. - P. 82-88.

4. The Casimir effect and its applications / V.M. Mostepanenko [et al.] -Oxford University Press, 1997.

5. Superconducting metamaterials for waveguide quantum electrodynamics / M. Mirhosseini [et al.] // Nat. Commun. - 2018. - V. 9. - № 1. - P. 1-7.

6. Nielsen, M.A. Quantum information and quantum computation / M.A. Nielsen, I.L. Chuang. - Cambridge University Press, 2000. - 676 p.

7. Bykov V.P. Spontaneous Emission in a Periodic Structure / V.P. Bykov // Sov. J. Exp. Theor. Phys. - 1972. - V. 35. - № 2. - 269-273.

8. Yablonovitch, E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics / E. Yablonovitch // Phys. Rev. Lett. - 1987. - V. 58. - № 20.

- P. 2059-2062.

9. John, S. Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices / S. John // Phys. Rev. Lett. - 1987. - V. 58. - № 23. - P. 2486-2489.

10. Ho, K.M. Existence of a Photonic Gap in Periodic Dielectric Structures / K.M. Ho, C.T. Chan, C.M. Soukoulis // Phys. Rev. Lett. - 1990. - V. 65.

- № 25. - P. 3152-3155.

11. Sozuer, H.S. Photonic bands: Convergence problems with the plane-wave method / H.S. Sozuer, J.W. Haus // Phys. Rev. B. - 1992. - V. 45. - № 24. - P. 13962-13972.

12. Yablonovitch, E. Photonic band-gap structures / E. Yablonovitch //J. Opt. Soc. Am. B. - 1993. - V. 10. - № 2. - P. 287-293.

13. Li, Z.-Y. Large Absolute Band Gap in 2D Anisotropic Photonic Crystals / Z.-Y. Li // Phys. Rev. Lett. - 1998. - V. 81. - № 12. - P. 2574-2577.

14. Li, Z.-Y. Creation of partial band gaps in anisotropic photonic-band-gap structures / Z.-Y. Li, J. Wang, B.-Y. Gu // Phys. Rev. B. - 1998. - V. 58.

- № 7. - P. 3721-3729.

15. Busch, K. Photonic band gap formation in certain self-organizing systems / K. Busch, S. John // Phys. Rev. E. - 1998. - V. 58. - № 3. - P. 3896-3908.

16. Anomalous flow of light near a photonic crystal pseudo-gap / S. John [et al.] // J. Opt. Soc. Am. - 2011. - V. 19. - № 25. - P. 6-8.

17. Ultra-high tunable liquid crystal-plasmonic photonic crystal fiber polarization filter / M.F.O. Hameed [et al.] // Opt. Express. - 2014. -V. 23. - № 6. - P. 7007-7020.

18. Khonina, S.N. Spectral characteristics of broad band-rejection filter based on Bragg grating, one-dimensional photonic crystal, and subwavelength grating waveguide / S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy, M.A. Butt // Phys. Scr. - 2021. - V. 96. - № 5. - P. 055505.

19. Notomi, M. Wavelength conversion via dynamic refractive index tuning of a cavity / M. Notomi, S. Mitsugi // Phys. Rev. A. - 2006. - V. 73. - № 5.

- P. 051803(1-4).

20. Takeda, H. Compact optical one-way waveguide isolators for photonic-band-gap microchips / H. Takeda, S. John // Phys. Rev. A. - 2008. - V. 78. - № 2. - P. 023804(1-15).

21. Telecom wavelength emitting single quantum dots coupled to InP-based photonic crystal microcavities / A. Kors [et al.] // Appl. Phys. Lett. -2017. - V. 110. - № 3. - P. 031101(1-5).

22. Photonic crystal cavities from hexagonal boron nitride / S. Kim [et al.] // Nat. Commun. - 2018. - V. 9. - № 1. - P. 1-8.

23. Photonic crystals cause active colour change in chameleons / J. Teyssier [et al.] // Nat. Commun. - 2015. - V. 6. - P. 1-7.

24. Two-Dimensional Photonic Crystal Chemical and Biomolecular Sensors / Z. Cai [et al.] // Anal. Chem. - 2015. - V. 87. - № 10. - P. 5013-5025.

25. Flying particle sensors in hollow-core photonic crystal fibre / D.S. Bykov [et al.] // Nat. Photonics. - 2015. - V. 9. - № 7. - P. 1-6.

26. Kamran, M. Excitation of surface plasmon polariton waves along the direction of periodicity of a one-dimensional photonic crystal / M. Kamran, M. Faryad // Phys. Rev. A. - 2019. - V. 99. - № 5. - P. 053811(1-6).

27. Photonic Crystal Microchip Laser / D. Gailevicius [et al.] // Sci. Rep. -2016. -V. 6. - P. 34173(1-6).

28. Threshold Characteristics of Slow-Light Photonic Crystal Lasers / W. Xue [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2016. - V. 116. - № 6. - P. 063901(1-5).

29. Demonstration of a self-pulsing photonic crystal Fano laser / Y. Yu [et al.] // Nat. Photonics. - 2016. - V. 11. - № 2. - P. 1-5.

30. Photonic-crystal lasers with high-quality narrow-divergence symmetric beams and their application to LiDAR / M. Yoshida [et al.] //J. Phys. Photonics. - 2021. - V. 3. - № 2. - P. 022006.

31. Гигантская вторая гармоника в микрорезонаторах на основе фотонных кристаллов пористого кремния / Т. В. Долгова [и др.] // Письма в ЖЭТФ. - 2001. - Т. 73. - Вып. 1. - С. 8-12.

32. Фотонно-кристаллические волноводы в биомедицинских исследованиях / Ю.С. Скибина [и др.] // Квантовая электроника. - 2011. - Т. 41. - № 4. - С. 284-299.

33. Photonic crystal and quantum dot technologies for all-optical switch and logic device / K. Asakawa [et al.] // New J. Phys. - 2006. - V. 8. - № 9. -P. 208.

34. Controlling the dynamics of spontaneous emission from quantum dots by photonic crystals / P. Lodahl [et al.] // Nature. - 2004. - V. 430. - № 7000.

- P. 654-657.

35. Photonic band gap in a superconductor-dielectric superlattice / C.H.R. Ooi [et al.] // Phys. Rev. B. - 2000. - V. 61. - № 9. - P. 5920-5923.

36. Wu, C.J. Photonic band structure for a superconductor-dielectric superlattice / C.J. Wu, M.S. Chen, T.J. Yang // Physica C: Superconductivity. - 2005. - V. 432. - № 3-4. - P. 133-139.

37. Coherent control of spontaneous emission near a photonic band edge: a single-atom optical memory device / T. Quang [et al.] // Phys. Rev. Lett.

- 1997. - V. 79. - № 26. - P. 5238-5241.

38. John, S. Quantum electrodynamics near a photonic band gap: photon bound states and dresses atoms / S. John, J. Wang // Phys. Rev. Lett. - 1990. -V. 64. - № 20. - P. 2418-2421.

39. John, S. Spontaneous emission near the edge of a photonic band gap / S. John, T. Quang // Phys. Rev. Lett. A. - 1994. - V. 50. - № 2. - P. 1764-1769.

40. John, S. Localization of superradiance near a photonic band gap / S. John, T. Quang // Phys. Rev. Lett. - 1995. - V. 74 - № 17. - P. 3419-3422.

41. Radiating dipoles in photonic crystals / K. Busch [et al.] // Phys. Rev. Lett. E. - 2000. - V. 62. - № 3. - P. 4251.

42. Zhu, S.-Y. Quantum Interference Effects in Spontaneous Emission from an Atom Embedded in a Photonic Band Gap Structure / S.-Y. Zhu, H. Chen, H. Huang // Phys. Rev. Lett. - 1997. - V. 79. - № 2. - P. 205.

43. Quantum interference via nonradiative transitions between energy levels of atoms in one-dimensional photonic crystals / R.Kh. Gainutdinov [et al.] // J. Phys. Conf. Ser. - 2020. - V. 1628. - № 1. - P. 012006(1-6).

44. Gainutdinov, R.Kh. Electron rest mass and energy levels of atoms in the photonic crystal medium / R.Kh. Gainutdinov, M.A. Khamadeev, M.Kh. Salakhov // Phys. Rev. A. - 2012. - V. 85. - № 5. - P. 053836(1-7).

45. Self-energy shift of the energy levels of atomic hydrogen in photonic crystal medium / R.Kh. Gainutdinov [et al.] //J. Phys. Conf. Ser. - 2016. - V. 714. - № 1. - P. 012009.

46. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light / J.D. Joannopoulos [et al.]

- Princeton University Press, 2008. - 2nd ed. - 286 p.

47. John, S. Quantum optics of localized light in a photonic band gap / S. John, J. Wang // Phys. Rev. B. - 1991. - V. 43. - № 16. - P. 12772-12789.

48. Bay, S. Fluorescence into Flat and Structured Radiation Continua: An Atomic Density Matrix without a Master Equation / S. Bay, P. Lambropoulos, K. Molmer // Phys. Rev. Lett. - 1997. - V. 79. - № 14.

- P. 2654-2657.

49. Bay, S. Atom-atom interaction in strongly modified reservoirs / S. Bay, P. Lambropoulos, K. Molmer // Phys. Rev. A. - 1997. - V. 55 - № 2. - P. 1485.

50. Оптика наноструктур: монография / C. В Гапоненко [и др.]: Под ред. А.В. Федорова - СПб.: Недра, 2005. - С. 325.

51. Камашев, Д.В. Экспериментальное моделирование процессов образования надмолекулярных структур кремнезема / Д.В. Камашев // Вестник ОНЗ РАН. - 2006. - № 1. - С. 24-26.

52. Electrophoretic deposition of latex-based 3D colloidal photonic crystals: a technique for rapid production of high-quality opals / A. L. Rogach [et al.] // Chem. Mater. - 2000. - V. 12. - № 9. - P. 2721-2726.

53. Three-dimensional face-centered-cubic photonic crystal templates by laser holography: fabrication, optical characterization, and band-structure calculations / Y. V. Miklyaev [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2003. - V.82 -№ 8. - P.1284-1286.

54. Дегтяренко, Н. Н. Введение в физике и моделирование фотонных кристаллов / Н.Н. Дегтяренко, Н.И. Каргин // МИФИ. - 2012. - С. 62.

55. Atmospheric pressure MOCVD growth of crystalline InP in opals / H.M. Yates [et al.] // J. Cryst. Growth. - 1998. - V. 193. - № 1-2. - P. 9-15.

56. Single-crystal colloidal multilayers of controlled thickness / Jiang P. [et al.] // Chem. Mater. - 1999. - V. 11. - № 8. - P. 2132-2140.

57. Yin, J. S. Template-assisted Self-assembly and Cobalt Doping of Ordered Mesoporous Titania Nanostructures / J.S. Yin, Z.L. Wang // Adv. Mater.

- 1999. - V. 11. - № 6. - P. 469-472.

58. Денискина, Н.Д. Благородные опалы / Н.Д. Денискина, Д.В. Калинин, Л.К. Казанцева. - Новосибирск: Наука, 1987. - 180 с.

59. Richel, A. Observation of Bragg refection in photonic crystals synthesized from air spheres in a titania matrix / A. Richel, N.P. Johnson, D.W. McComb // Appl. Phys. Lett. - 2000. - V. 76. - № 14. - P. 1816-1818.

60. Holgado, M. Electrophoretic deposition to control artificial opal growth / M. Holgado, F. Garcia-Santamaria, A. Blanco // Langmuir. - 1999. - V. 15. - № 14. - P. 4701-4704.

61. Fabrication of three-dimensional photonic crystals with multilayer photolithography / P. Yao [et al.] // Opt. Express. - 2005. - V. 13. - № 7.

- P. 2370-2376.

62. Jugessur, A. Engineering the filter response of photonic crystal microcavity filters / A. Jugessur, P. Pottier, R. De La Rue // Opt. Express. - 2005. -V. 12. - № 7. - P. 1304-1312.

63. Two-photon polymerization initiators for three-dimensional optical data storage and microfabrication / B.H. Cumpston [et al.] // Nature. - 1999. -V. 398. - N. 6722. - P. 51-54.

64. Jeon, S. Fabricating three dimensional nanostructures using two photon lithography in a single exposure step / S. Jeon, V. Malyarchuk, J.A. Rogers // Optics Express. - 2006. - V. 14. - № 6. - P. 2300-2308.

65. Fast direct e-beam lithographic fabrication of first-order gratings for 1.3 ßm DFB lasers / A.S. Gozdz [et al.] // IEEE Electron. Lett. - 1988. - V. 24. -№ 2. - P. 123-125.

66. Focused Ion Beam Lithography-Overview and New approaches / K. Arshak [et al.] // Proc. 24th International Conference on Microelectronics. - 2004.

- V. 2. - P. 459-462.

67. Focused Ion Beam as a Nanofabrication Tool for Rapid Prototyping of Nanomagnetic Devices / S. Khizroev [et al.] // Microsc. Microanal. - 2006.

- V. 12. - № S02. - P. 128-129.

68. Fabrication of two-dimensional coupled photonic crystal resonator arrays by holographic lithography / G.Q. Liang [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2006.

- V. 89. - № 4. - P. 041902.

69. Duneau, M. Holographic method for a direct growth of three-dimensional photonic crystals by chemical vapor deposition / M. Duneau, F. Delyon, M. Audier //J. Appl. Phys. - 2004. - V. 96. - № 5. - P. 2428-2436.

70. de Vries, P. Resonant scattering and spontaneous emission in dielectrics: microscopic derivation of local-field effects / P. de Vries, A. Lagendijk // Phys. Rev. Lett. - 1998. - V. 81. - № 7. - P. 1381.

71. Lamb, W. E. Fine Structure of the Hydrogen Atom by a Microwave Method / W.E. Lamb, R.C. Retherford //Phys. Rev. - 1947. - V. 72. - P. 241.

72. Yablonovitch, E. Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms / E. Yablonovitch, T.J. Gmitter, K.M. Leung // Phys. Rev. Lett. - 1991. - V. 67. - № 17. - P. 2295.

73. Yablonovitch, E. Photonic band-gap structures / Yablonovitch, E. // J. Opt. Soc. Am. B. - 1993. - V. 10. - № 2. - P. 283-295.

74. Measurement of spontaneous-emission enhancement near the one-dimensional photonic band edge of semiconductor heterostructures / M.D. Tocci [et al.] // Phys. Rev. A. - 1996. - V. 53. - № 4. - P. 2799-2803.

75. Kocharovskaya, O.A. Coherent amplification of an ultrashort pulse in a three-level medium without a population inversion / O.A. Kocharovskaya, Ya.I. Khanin // Pis' ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. - 1988. - V. 48. - P. 581-584.

76. Zhu, S.Y. Spectral line elimination and spontaneous emission cancellation via quantum interference / S.Y. Zhu, M.O. Scully // Phys. Rev. Lett. -1996. - V. 76. - № 3. - P. 388.

77. Scully, M.O. Noise free amplification via the two-photon correlated spontaneous emission laser / M.O. Scully, M.S. Zubairy // Opt. Commun. - 1988. - V. 66. - № 5-6. - P. 303-306.

78. Martinez, M.A.G. Quantum interference effects in spontaneous atomic emission: dependence of the resonance fluorescence spectrum on the phase of the driving field / M.A.G. Martinez [et al.] // Phys. Rev. A. - 1997. -V. 55. - № 6. - P. 4483.

79. Autler, S. H. Stark effect in rapidly varying fields / S.H. Autler, C.H. Townes // Phys. Rev. - 1955. - V. 100. - № 2. - P. 703.

80. Dutta, B. K. Modification and control of coherence effects in the spontaneous emission spectrum of a three-level atom at weak field regime / B.K. Dutta, P. Panchadhyayee // Laser Phys. - 2016. - V. 26. - № 9. - P. 095202.

81. Kweon, G. Quantum electrodynamics in photonic crystals / G. Kweon, N.M. Lawandy // Opt. Commun. - 1995. - V. 118. - № 3-4. - P. 388-411.

82. Li, Z.-Y. Spontaneous emission from photonic crystals: full vectorial calculations / Z.-Y. Li, L.L. Lin, Z.Q. Zhang // Phys. Rev. Lett. - 2000. -V. 84. - № 19. - P. 4341.

83. Enhanced light-matter interaction in atomically thin MoS2 coupled with 1D photonic crystal nanocavity / Liu T. [et al.] // Opt. Express. - 2017. - V. 25. - № 13. - P. 14691-14696.

84. Purcell, E.M. Resonance absorption by nuclear magnetic moments in a solid / E.M. Purcell, H.C. Torrey, R.V. Pound // Phys. Rev. - 1946. - V. 69. -№ 1-2. - P. 37.

85. Calajo, G. Control of spontaneous emission of a single quantum emitter through a time-modulated photonic-band-gap environment / G. Calajo, L. Rizzuto, R. Passante // Phys. Rev. A. - 2017. - V. 96. - № 2. - P. 023802.

86. Murch, K. Beyond strong / K. Murch // Nat. Phys. - 2017. - V. 13. - № 1. - P. 11-12.

87. Atom-light interactions in quasi-one-dimensional nanostructures: A Green's-function perspective / A. Asenjo-Garcia [et al.] // Phys. Rev. A. - 2017. -V. 95. - № 3. - P. 033818.

88. Gruner, T. Green-function approach to the radiation-field quantization for homogeneous and inhomogeneous Kramers-Kronig dielectrics / T. Gruner, D.G. Welsch // Phys. Rev. A. - 1996. - V. 53. - № 3. - P. 1818.

89. Enhanced spontaneous emission at third-order Dirac exceptional points in inverse-designed photonic crystals / Z. Lin [et al.] // Phys. Rev. Lett. -2016. - V. 117. - № 10. - P. 107402.

90. Larger-area single-mode photonic crystal surface-emitting lasers enabled by an accidental Dirac point / S.L. Chua [et al.] // Opt. Lett. - 2014. - V. 39. - № 7. - P. 2072-2075.

91. Dirac cones induced by accidental degeneracy in photonic crystals and zero-refractive-index materials / X. Huang [et al.] // Nat. Mater. - 2011. - V. 10. - № 8. - P. 582-586.

92. On-chip zero-index metamaterials / Y. Li [et al.] // Nat. Photonics. - 2015. -V. 9. - № 11. - P. 738.

93. Raghu, S. Analogs of quantum-Hall-effect edge states in photonic crystals / S. Raghu, F.D.M. Haldane // Phys. Rev. A. - 2008. - V. 78. - № 3. - P. 033834.

94. Photonic topological insulators / A.B. Khanikaev [et al.] // Nat. Mater. -2013. - V. 12. - № 3. - P. 233-239.

95. Symmetry-protected topological photonic crystal in three dimensions / L. Lu [et al.] // Nat. Phys. - 2016. - V. 12. - № 4. - P. 337-340.

96. Spawning rings of exceptional points out of Dirac cones / B. Zhen [et al.] // Nature. - 2015. - V. 525. - № 7569. - P. 354-358.

97. Moiseyev, N. Non-Hermitian quantum mechanics / N. Moiseyev. -Cambridge University Press, 2011. - 410 p.

98. Observation of non-Hermitian degeneracies in a chaotic exciton-polariton billiard / T. Gao [et al.] // Nature. - 2015. - V. 526. - № 7574. - P. 554558.

99. Weyl, H. Elektron und gravitation. I. / H. Weyl // Z. Phys. - 1929. - V. 56. - № 5-6. - P. 330-352.

100. Discovery of a Weyl fermion state with Fermi arcs in niobium arsenide / S.-Y. Xu [et al.] // Nat. Phys. - 2015. - V. 11. - № 9. - P. 748-754.

101. Experimental observation of Weyl points / L. Lu [et al.] // Science. - 2015.

- V. 349. - № 6248. - P. 622-624.

102. Wang, L. Topological photonic crystal with equifrequency Weyl points / L. Wang, S.K. Jian, H. Yao // Phys. Rev. A. - 2016. - V. 93. - № 6. - P. 061801.

103. Spontaneous radiation and Lamb shift in three-dimensional photonic crystals / S.Y. Zhu [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2000. - V. 84. - № 10.

- P. 2136.

104. Vats, N. Theory of fluorescence in photonic crystals / N. Vats, S. John, K. Busch // Phys. Rev. A. - 2002. - V. 65. - № 4. - P. 043808.

105. Wang, X. H. Giant lamb shift in photonic crystals / X.H. Wang, Y.S. Kivshar, B.Y. Gu // Phys. Rev. Lett. - 2004. - V. 93. - № 7. - P. 073901.

106. John, S. Quantum optical spin-glass state of impurity two-level atoms in a photonic band gap / S. John, T. Quang // Phys. Rev. Lett. - 1996. - V. 76. - № 8. - P. 1320.

107. John, S. Collective switching and inversion without fluctuation of two-level atoms in confined photonic systems / S. John, T. Quang // Phys. Rev. Lett. - 1997. - V. 78. - № 10. - P. 1888.

108. Li, Z.Y. Optical photonic band gaps and the Lamb shift / Z.Y. Li, Y. Xia // Phys. Rev. B. - 2001. - V. 63. - № 12. - P. 121305.

109. Schweber, S.S. An introduction to relativistic quantum field theory / S.S. Schweber. - Courier Corporation, 2011. - 944 p.

110. Bethe, H.A. The electromagnetic shift of energy levels / H.A. Bethe // Phys. Rev. - 1947. - V. 72. - № 4. - P. 339.

111. Theoretical Foundations and Application of Photonic Crystals / R.Kh. Gainutdinov [et al.] - InTech, 2018. - P. 3-20.

112. Nonperturbative Quantum Electrodynamics in the Cherenkov Effect / C. Roques-Carmes [et al.] // Phys. Rev. X. - 2018. - V. 8. - № 4. - P. 041013.

113. Cherenkov, P.A. Visible Emission of Clean Liquids by Action of y Radiation / P.A. Cherenkov // Dokl. Akad. Nauk SSSR. - 1934. - V. 2. - № 8. - P. 451.

114. Decoherence and 1/f noise in Josephson qubits / E. Paladino [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2002. - V. 88. - № 22. - P. 228304.

115. Josephson charge qubits: a brief review / Y.A. Pashkin [et al.] // Quantum Inf. Process. - 2009. - V. 8. - № 2-3. - P. 55-80.

116. Oliver, W.D. Materials in superconducting quantum bits / W.D. Oliver, P.B. Welander // MRS Bull. - 2013. - V. 38. - № 10. - P. 816-825.

117. Millisecond charge-parity fluctuations and induced decoherence in a superconducting transmon qubit / D. Riste [et al.] // Nat. Commun. -2013. - V. 4. - № 1. - P. 1-6.

118. Microwave photonics with superconducting quantum circuits / X. Gu [et al.] // Phys. Rep. - 2017. - V. 718. - P. 1-102.

119. Granular aluminium as a superconducting material for high-impedance quantum circuits / L. Grunhaupt [et al.] // Nat. Mater. - 2019. - V. 18. -№ 8. - P. 816-819.

120. Clark, R.G. Experimental Implementation of Quantum Computation / R.G. Clark (ed.). - Rinton Press, 2001.

121. Averin, D.V. Quantum computing and quantum measurement with mesoscopic Josephson junctions / D.V. Averin // Fortsch.Phys: Prog. Phys.

- 2000. - V. 48. - № 9-11. - P. 1055-1074.

122. Makhlin, Y. Quantum-state engineering with Josephson-junction devices / Y. Makhlin, G. S^n, A. Shnirman // Rev. Mod. Phys. - 2001. - V. 73. -№ 2. - P. 357.

123. Nakamura, Y. Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box / Y. Nakamura, Y.A. Pashkin, J.S. Tsai // Nature. - 1999.

- V. 398. - № 6730. - P. 786-788.

124. Manipulating the quantum state of an electrical circuit / D. Vion [et al.] // Science. - 2002. - V. 296. - № 5569. - P. 886-889.

125. Electrically driven single-electron spin resonance in a slanting Zeeman field / M. Pioro-Ladriere [et al.] // Nat. Phys. - 2008. - V. 4. - № 10. - P. 776-779.

126. Coherent quantum dynamics of a superconducting flux qubit / I. Chiorescu [et al.] // Science. - 2003. - V. 299. - № 5614. - P. 1869-1871.

127. Coherent temporal oscillations of macroscopic quantum states in a Josephson junction / Y. Yu [et al.] // Science. - 2002. - V. 296. - № 5569.

- P. 889-892.

128. Rabi oscillations in a large Josephson-junction qubit / J.M. Martinis [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2002. - V. 89. - № 11. - P. 117901.

129. Quantum oscillations in two coupled charge qubits / Y.A. Pashkin [et al.] // Nature. - 2003. - V. 421. - № 6925. - P. 823-826.

130. Entangled macroscopic quantum states in two superconducting qubits / A.J. Berkley [et al.] // Science. - 2003. - V. 300. - № 5625. - P. 1548-1550.

131. Evidence for entangled states of two coupled flux qubits / A. Izmalkov [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2004. - V. 93. - № 3. - P. 037003.

132. Demonstration of conditional gate operation using superconducting charge qubits / T. Yamamoto [et al.] // Nature. - 2003. - V. 425. - № 6961. - P. 941-944.

133. Dressing of superconducting qubits by their interaction with a low frequency photon reservoir / R.Kh. Gainutdinov [et al.] //J. Phys. Conf. Ser. - 2019.

- V. 1283. - № 1. - P. 012004(1-6).

134. Nonperturbative renormalization of the interaction of quantum dots with the phonon reservoir / R.Kh. Gainutdinov [et al.] //J. Phys. Conf. Ser. -2020. - V. 1628. - № 1. - P. 012005(1-8).

135. Strong interaction of a quantum dot with the photon reservoir in one-dimensional photonic crystals / R.Kh. Gainutdinov [et al.] //J. Phys. Conf. Ser. - 2021. - V. 1890. - № 1. - P. 012002(1-5).

136. Fundamental quantum optics in structured reservoirs / P. Lambropoulos [et al.] // Rep. Prog. Phys. - 2000. - V. 63. - № 4. - P. 455.

137. Angelakis, D.G. Photonic crystals and inhibition of spontaneous emission: an introduction / D.G. Angelakis, P.L. Knight, E. Paspalakis // Contemp. Phys. - 2004. - V. 45. - № 4. - P. 303-318.

138. Kofman, A.G. Spontaneous and induced atomic decay in photonic band structures / A.G. Kofman, G. Kurizki, B. Sherman //J. Mod. Opt. - 1994.

- V. 41. - № 2. - P. 353-384.

139. Bath engineering of a fluorescing artificial atom with a photonic crystal / P.M. Harrington [et al.] // Phys. Rev. A. - 2019. - V. 99. - № 5. - P. 052126.

140. Interacting qubit-photon bound states with superconducting circuits / N.M. Sundaresan [et al.] // Phys. Rev. X. - 2019. - V. 9. - № 1. - P. 011021.

141. Atom-light interactions in photonic crystals / A. Goban [et al.] // Nat. Commun. - 2014. - V. 5. - P. 3808.

142. Subwavelength vacuum lattices and atom-atom interactions in two-dimensional photonic crystals / A. Gonzalez-Tudela [et al.] // Nat. Photonics. - 2015. - V. 9. - № 5. - P. 320.

143. Liu, Y. Quantum electrodynamics near a photonic bandgap / Y. Liu, A.A. Houck // Nat. Phys. - 2017. - V. 13. - № 1. - P. 48-52.

144. Shahmoon, E. Nonradiative interaction and entanglement between distant atoms / E. Shahmoon, G. Kurizki // Phys. Rev. A. - 2013. - V. 87. - № 3. - P. 033831.

145. Coupling a single trapped atom to a nanoscale optical cavity / J.D. Thompson [et al.] // Science. - 2013. - V. 340. - № 6137. - P. 1202-1205.

146. Notararigo, V. Resonance interaction energy between two entangled atoms in a photonic bandgap environment / V. Notararigo, R. Passante, L. Rizzuto // Sci. Rep. - 2018. - V. 8. - № 1. - P. 1-11.

147. Sakoda, K. Optical properties of photonic crystals / K. Sakoda. - Springer Science & Business Media, 2004. - 223 p.

148. Keller, O. Quantum theory of near-field electrodynamics / O. Keller. -Springer Science & Business Media, 2012. - 667 p.

149. Skorobogatiy, M. Fundamentals of Photonic Crystal Guiding / M. Skorobogatiy, J. Yang. - Cambridge University Press, 2009. - 267 p.

150. Sukhoivanov, I.A. Photonic crystals: physics and practical modeling / I.A. Sukhoivanov, I.V. Guryev. - Springer, 2009. - 242 p.

151. Ashcroft, N.W. Solid State Physics / N.W. Ashcroft, N.D. Mermin. -Harcourt College Publishers, 1976. - 826 p.

152. Киттель, Ч. Введение в физику твёрдого тела / Ч. Киттель. - М.: Наука, 1978. - 792 c.

153. Johnson, S.G. Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in a plane wave basis / S.G. Johnson, J.D. Joannopoulos // Optics Express. - 2001. - V. 8. - № 3. - P. 173-190.

154. Soziier, H.S. Photonic bands: convergence problem with the plane wave method / H.S. Soziier, J.W. Haus, R. Inguva // Phys. Rev. Lett. B. - 1992.

- V. 45. - № 24. - P. 13962-13972.

155. Zhang, Z. Electromagnetic wave propagation in periodic structures: Bloch wave solution of Maxwell's equations / Z. Zhang, S. Satpathy // Phys. Rev. Lett. - 1990. - V. 65. - № 21. - P. 2650-2653.

156. Alvarado-Rodriguez, I. Density of states for a dielectric superlattice: TE polarization / I. Alvarado-Rodriguez, P. Halevi, J. J. Sanchez-Mondragon // Phys. Rev. E. - 1999. - V. 59. - № 3. - P. 3624-3630.

157. Van Hove L. The occurrence of singularities in the elastic frequency distribution of a crystal / L. Van Hove // Phys. Rev. - 1953. - V. 89.

- № 6. - P. 1189.

158. General electromagnetic density of modes for a one-dimensional photonic crystal / C.H. Raymond Ooi [et al.] // Phys. Rev. E. - 1999. - V. 62. - № 5. - P. 7405-7409.

159. Franta, D. Universal dispersion model for characterization of optical thin films over a wide spectral range: application to hafnia / D. Franta, D. Necas, I. Ohlidal // Appl. Opt. - 2015. - V. 54. - № 31. - P. 9108-9119.

160. Optical effective media with independent control of permittivity and permeability based on conductive particles / K. Chung [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2016. - V. 109. - № 2. - P. 021114.

161. Optical properties of AlxGai_xAs / D.E. Aspnes [et al.] //J. Appl. Phys.

- 1986. - V. 60. - № 2. - P. 754-767.

162. Gainutdinov, R.Kh. Effect of Changing the Electron Mass and Physicochemical Processes in One-Dimensional Photonic Crystals / R.Kh. Gainutdinov, A.I. Garifullin, M.A. Khamadeev // Bull. Lebedev Phys. Inst.

- 2019. - V. 46. - № 4. - P. 115-117.

163. Luminescence microscopy of single quantum dot pairs with nanometer spatial resolution / I.Y. Eremchev [et al.] // JETP Letters. - 2018. - V. 108. - № 1. - P. 30-37.

164. Eremchev, I.Y. Multifunctional far-field luminescence nanoscope for studying single molecules and quantum dots:(50th anniversary of the Institute of Spectroscopy, Russian Academy of Sciences) / I.Y. Eremchev, M.Y. Eremchev, A.V. Naumov // Phys.-Uspekhi. - 2019. - V. 62. - № 3. -P. 294.

165. Contribution of electron-phonon coupling to the luminescence spectra of single colloidal quantum dots / E.A. Podshivaylov [et al.] //J. Chem. Phys.

- 2019. - V. 151. - № 17. - P. 174710.

166. Quantum dots in photonic crystals: From quantum information processing to single photon nonlinear optics / D. Englund [et al.] // Photonics and Nanostructures: Fundam. Appl. - 2009. - V. 7. - № 1. - P. 56-62.

167. Gainutdinov, R.Kh. Nonlocal interactions and quantum dynamics / R.Kh. Gainutdinov //J. Phys. A: Math. Gen. - 1999. - V. 32. - № 30. - P. 5657.

168. Trubilko, A.I. Hierarchy of Times of Open Optical Quantum Systems and the Role of the Effective Hamiltonian in the White Noise Approximation / A.I. Trubilko, A.M. Basharov // JETP Letters. - 2020. - V. 111. - № 9. -P. 532-538.

169. Trubilko, A.I. Theory of relaxation and pumping of quantum oscillator non-resonantly coupled with the other oscillator / A.I. Trubilko, A.M. Basharov // Phys. Scr. - 2020. - V. 95. - № 4. - P. 045106.

170. Tarel, G. Linear spectrum of a quantum dot coupled to a nanocavity / G. Tarel, V. Savona // Phys. Rev. B. - 2010. - V. 81. - № 7. - P. 075305.

171. Mahan, G.D. Many-Particle Physics / G.D. Mahan. - Springer Science & Business Media, 2000. - 785 p.

172. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence / A.N. Vamivakas [et al.] // Nature Phys. - 2009. - V. 5. - № 3. - P. 198-202.

173. Influence of electron-acoustic phonon scattering on off-resonant cavity feeding within a strongly coupled quantum-dot cavity system / S. Hughes [et al.] // Phys. Rev. B. - 2011. - V. 83. - № 16. - P. 165313.

174. Enhanced electrochemiluminescence of CdSe quantum dots composited with graphene oxide and chitosan for sensitive sensor / T. Wang [et al.] // Biosens. Bioelectron. - 2012. - V. 31. - № 1. - P. 369-375.

175. Quantum electrodynamics in photonic crystals and controllability of ionization energy of atoms / R.Kh. Gainutdinov [et al.] // Phys. Lett. A. -2021. - V. 404. - P. 127407(1-7).

176. Хелзен, Ф. Кварки и лептоны: введение в физику частиц / Ф. Хелзен, А. Мартин. - М.: «Мир», 1987. - 456 c.

177. Cohen-Tannoudji, C. The dressed atom approach. Atom-photon interactions: basic processes and applications / C. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc, G. Grynberg. - Wiley-VCH, 1998. - Chap. 6. - P. 537-548.

178. Bjorken, J.D. Relativistic Quantum Mechanics / J.D. Bjorken, S.D. Drell.

- McGraw-Hill, 1965. - 304 p.

179. Флюгге, З. Задачи по квантовой механике / З. Флюгге. - М.: «Мир», 1974. - Т. 1. - 341 c.

180. Бутиков, Е.И. Оптика / Е.И. Бутиков. - СПб.: «Невский Диалект»; БХВ-Петербург, 2003. - 480 с.

181. Electromagnetic mass of an electron in one-dimensional photonic crystal / R.Kh. Gainutdinov [et al.] // J. Phys. Conf. Ser. - 2018. - V. 1068. - № 1.

- P. 012005(1-4).

182. Modification of the interaction of an electron with its own radiation field in photonic crystals with high-refractive layers / A.I. Garifullin [et al.] //J. Phys. Conf. Ser. - 2021. - V. 1890. - № 1. - P. 012003(1-7).

183. Ultrafast tuning of two-dimensional planar photonic-crystal waveguides via free-carrier injection and the optical Kerr efect / J.P. Mondia [et al.] //J. Opt. Soc. Am. B. - 2005. - V. 22. - № 11. - P. 2480-2486.

184. Chuprina, I.N. Generating frequency-bin qubits via spontaneous four-wave mixing in a photonic molecule / I.N. Chuprina, A.A. Kalachev // Phys. Rev. A. - 2019. - V. 100. - № 4. - P. 043843.

185. Ghosh, G. Sellmeier coefficients and dispersion of thermo-optic coefficients for some optical glasses / G. Ghosh // Appl. Opt. - 1997. - V. 36. - № 7.

- P. 1540-1546.

186. Lee, S. Colloidal superlattices for unnaturally high-index metamaterials at broadband optical frequencies / S. Lee // Opt. Express. - 2015. - V. 23. -№ 22. - P. 28170-28181.

187. Highly tunable refractive index visible-light metasurface from block copolymer self-assembly / J.Y. Kim [et al.] // Nat. Commun. - 2016. -V. 7. - № 1. - P. 1-9.

188. Metal nanoparticle array as a tunable refractive index material over broad visible and infrared wavelengths / R. Kim [et al.] // ACS Photonics. - 2018. -V. 5. - № 4. - P. 1188-1195.

189. Weinberg, S. The Quantum Theory of Fields: Foundations / S. Weinberg.

- Cambridge University Press, 2005. - V. 1. - Chap. 14. - 431 p.

190. Feynman, R.P. Space-time approach to non-relativistic quantum mechanics / R.P. Feynman // Rev. Mod. Phys. - 1948. - V. 20. - P. 367-387.

191. Photonic crystal films with high refractive index contrast / M. Miiller [et al.] // Adv. Mater. - 2000. - V. 12. - № 20. - P. 1499-1503.

192. Printable photonic crystals with high refractive index for applications in visible light / G. Calafiore [et al.] // Nanotechnology. - 2016. - V. 27. - № 11. - P. 115303.

193. Additive Manufacturing of High-Refractive-Index, Nanoarchitected Titanium Dioxide for 3D Dielectric Photonic Crystals / A. Vyatskikh [et al.] // Nano Lett. - 2020. - V. 20. - № 5. - P. 3513-3520.

194. Zhou, G. Direct optical fabrication of three-dimensional photonic crystals in a high refractive index LiNbÜ3 crystal / G. Zhou, M. Gu // Opt. Lett.

- 2006. - V. 31. - № 18. - P. 2783-2785.

195. Paivasaari K. High refractive index chalcogenide glass for photonic crystal applications / K. Paivasaari, V.K. Tikhomirov, J. Turunen // Opt. Express.

- 2007. - V. 15. - № 5. - P. 2336-2340.

196. Shen, J.T. Mechanism for designing metallic metamaterials with a high index of refraction / J.T. Shen, P.B. Catrysse, S. Fan // Phys. Rev. Lett. -2005. - V. 94. - № 19. - P. 197401.

197. Shin, J. Three-dimensional metamaterials with an ultrahigh effective refractive index over a broad bandwidth / J. Shin, J.-T. Shen, S. Fan // Phys. Rev. Lett. - 2009. - V. 102. - № 9. - P. 093903.

198. Veselago, V.G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of e and ß / V.G. Veselago // Sov. Phys. Usp. - 1968.

- V. 10. - № 4. - P. 509-514.

199. Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength / G. Dolling [et al.] // Opt. Lett. - 2007. - V. 32. - № 1. - P. 53-55.

200. A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index / M. Choi [et al.] // Nature. - 2011. - V. 470. - № 7334. - P. 369-373.

201. Головань, Л. А. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем / Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров // УФН. - 2007. - Т. 177. - № 6. - С. 619-638.

202. Shalaev,V.M. Optical properties of nanostructured random media / V.M. Shalaev (ed.). - Springer Science & Business Media, 2002. - V. 82. - 454 p.

203. Garnett, J.C.M. XII. Colours in metal glasses and in metallic films / J.C.M. Garnett // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character. - 1904. -V. 203. - № 359-371. - P. 385-420.

204. Bruggeman, D.A.G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mischkorper aus isotropen Substanzen / D.A.G. Bruggeman //Ann. Phys. - 1935. - V. 416. - № 7. - P. 636-664.

205. Lindhard, J. On the properties of a gas of charged particles / J. Lindhard // Danske Mat.-Fys. Meddeleiser. - Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, 1954. - V. 28. - № 8. - P. 1-57.

206. Koga, N. A review of the mutual dependence of Arrhenius parameters evaluated by the thermoanalytical study of solid-state reactions: the kinetic compensation effect / N. Koga // Thermochimica acta. - 1994. - V. 244. -P. 1-20.

207. Smith, I.W.M. The temperature-dependence of elementary reaction rates: beyond Arrhenius / I.W.M. Smith // Chem. Soc. Rev. - 2008. - V. 37. -№ 4. - P. 812-826.

208. Ebbing, D. General chemistry / D. Ebbing, S.D. Gammon. - Cengage Learning, 2016. - 1157 p.

209. Meschede, D. Radiative properties of atoms near a conducting plane: An old problem in a new light / D. Meschede, W. Jhe, E.A. Hinds // Phys. Rev. A. - 1990. - V. 41. - № 3. - P. 1587.

210. Constructing «designer atoms» via resonant graphene-induced lamb shifts / C.H. Chang [et al.] // ACS Photonics. - 2017. - V. 4. - № 12. - P. 3098-3105.

Благодарности

Автор выражает большую благодарность своему научному руководителю проф. Гайнутдинову Ренату Хамитовичу за внимание к работе, научное руководство и поддержку.

Автор благодарит весь коллектив кафедры оптики и нанофотоники за помощь и поддержку.