宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用(英文)

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过。上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导量子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据。在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象。由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据。本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响。评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用。     

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过.上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导最子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据.在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象.由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据.本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响.评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用.     

弱耦合GaAs/AlGaAs/InGaAs双势阱隧穿结构的磁隧穿特性研究

研究了低温(15 K)条件下弱耦合GaAs/AlGaAs/InGaAs双势阱结构的纵向磁隧穿特性. 研究表明,器件在零偏压下处于共振状态. 通过分析不同偏压下的磁电导振荡曲线,可以得到双量子阱中的基态束缚能级随偏压的变化规律,从而可以确定隧穿电流峰对应的隧穿机制. 所得结果可为弱耦合双量子点器件的制备提供基础. 关键词： 双量子阱 隧穿结构 磁电导振荡     

铁磁金属量子阱态的共振隧穿

非铁磁金属层中的量子阱态在磁输运过程中的重要性已被广泛认识．铁磁金属层中自旋极化的量子阱态以前并没有详尽的理论研究；实验上也没有清晰地观测到自旋极化量子阱态的隧穿．文章介绍了最近由卢仲毅、张晓光和Pantelides预言的Fe／MgO／FeO／Fe／Cr和其他铁磁量子阱隧道结中的共振隧穿，并解释铁、钴、铬的△1能带的对称性在这种共振隧穿中的作用．     

双势垒磁性隧道结中量子阱共振隧穿效应的第一性原理理论

磁性隧道结材料中自旋相关的量子阱态所导致的共振隧穿现象具有很重要的研究和应用价值，文章介绍了最近在Fe（001）／MgO／Fe／MgO／Fe双势垒磁性隧道结中存在的量子阱共振隧穿效应的理论研究工作，通过量子阱态的第一性原理的计算以及结合对中间Fe薄膜孤岛结构所导致Coulomb阻塞效应的分析，证实了最近Nozaki等人（Nozaki T et al．Phys．Rev．Lett．，2006，96：027208）实验中得到的振荡效应确实来源于中间Fe层多数自旋电子在Г点处形成的△1对称性的量子阱态．Coulomb阻塞效应的存在正是导致实验中低温下量子阱共振隧穿效应不够明显的主要原因．     

InAs自组装量子点GaAs肖特基二级管的电学特性研究

分析研究了GaAsInAs自组装量子点的电输运性质,通过对实验数据的分析,讨论了Schottky势垒对InAs量子点器件的影响和IV曲线中迟滞回路以及电导曲线中台阶结构产生的原因.迟滞回路和台阶的出现与电场中量子点的充放电过程相关:迟滞回路反映了量子点充电后对载流子的库仑作用,而电导台阶则反映了量子点因共振隧穿的放电现象 关键词： 迟滞现象 自组装量子点 共振隧穿     

半导体量子器件物理讲座：第五讲 弹道输运器和量子干涉器件

当器件的尺度小型与电子的平均自由程相当时,电子的输运可以看作弹道输运。文章介绍了隧穿热电子晶体管输运放大器和电子能谱仪两种工作模式下的工作原理以及用共振隧穿热电子晶体管做成的记忆器,如果器件的尺寸进一步减小,电子的波动特性也必须考虑,文章介绍了研究这种器件中的输运特性的方法及量子干涉晶体管和量子反射晶体管的工作原理。     

分子磁体中的量子隧穿及宏观量子效应

文章介绍了分子磁体中的量子隧穿和宏观量子效应理论和实验研究的新进展．分子磁体既有宏观磁体特性也呈现纯量子行为，例如磁化矢量的量子隧穿．文章作者解释了如何通过量子隧穿实现宏观量子相干(即薛定谔猫态的相干叠加)和量子态位相干涉．对隧穿率计算的瞬子方法，特别是有限温度隧穿理论及其在分子磁体量子隧穿中的应用也做了简要的阐述．     

半导体量子电子和光电子器件

本文阐述了半导体异质结构电子的量子特性 ,如电子波输运、库仑阻塞效应等。介绍了几种新颖、典型的量子电子器件和量子光电子器件的物理模型和基本原理。这些器件包括了单电子晶体管、共振隧穿二极管、高电子迁移率晶体管、δ掺杂场效应晶体管、量子点元胞自动机、量子阱红外探测器、埋沟异质结半导体激光器、量子级联激光器等。给出了作者在半导体量子器件物理方面的最新研究结果。     

能级填充对量子阱光学性质的影响

在特殊设计的三势垒双势阱结构中，利用来自发射极的电子注入和电子向收集极的共振隧穿 逃逸调控量子阱不同子能级上的填充状态，发现激发态上的电子占据起抑制量子限制Stark 效应的作用.在极低偏压下，量子阱中少量过剩电子诱发了用简单带—带跃迁无法解释的光致发光光谱行为. 关键词： 共振隧穿 光致发光 量子限制Stark效应 过剩电子     

恒定电场下双磁垒结构中的电子输运行为

对磁量子结构中电子在外加恒定电场下的输运性质进行了研究.分别计算了电子隧穿相同磁垒磁阱和不同磁垒磁阱构成的两种磁量子结构的传输概率和电流密度.计算结果表明,在相当宽广的非共振电子入射能区,外加电场下电子的传输概率比无电场时增加.对于电子隧穿相同磁垒磁阱构成的双磁垒结构,共振减弱;对于电子隧穿不同磁垒磁阱构成的双磁垒结构,无电场作用时的非完全共振在适当的偏置电压下转化为完全共振,这时的电子可实现理想的共振隧穿.研究同时表明,磁量子结构中存在着显著的量子尺寸效应和负微分电导.     

量子点器件的三端电测量研究

利用三端电测量方法，研究了调制掺杂二维电子气结构的量子点器件输运特性.报道了可分别测量二维电子气电阻和量子点隧穿电阻的实验方法.实验结果表明：量子点的横向耦合控制了量子点器件在小偏压下的电输运特性. 关键词： 自组装量子点 二维电子气 量子隧穿 肖特基接触     

一维双方势垒单势阱模型的共振隧穿条件研究

对于双势垒或多势垒系统,当入射粒子能量符合共振能级时将产生共振隧穿,使穿透率为一极大值,这样一个重要的性质在很多量子或半经典器件中都有广阔的应用前景.本文主要研究一维双方势垒模型及具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统.从薛定谔方程出发,通过推导获得了一般的一维双方势垒系统的透射率计算方法,为数值计算提供了参考公式,并证明了透射率解析解的存在.对于具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统模型,本文推导了透射率的解析表达式,并且给出了共振遂穿条件的解析解,探讨了共振隧穿所需条件及影响因素.     

半导体量子电子和光电子器件

本阐述了半导体异质结构电子的量子特性,如电子波输运,库仑阻塞效应等,介绍了几种新颖,典型的量子电子器件和量子光电子器件的物理模型和基本原理,这些器件包括了单电子晶体管,共振隧穿二极管,高电子迁移率晶体管,δ掺杂场效应晶体管,量子点元胞自动机,量子阱红外探测器,埋沟异质结半导体激光器,量子级联激光器等,给出了作在半导体量子器件物理方面的最新研究结果。     

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10⁷以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.     

δ-掺杂Be受主GaAs/AlAs多量子阱的空穴共振隧穿（英文）

三个具有不同量子阱宽度的GaAs/AlAs多量子阱结构样品通过分子束外延生长设备生长在半绝缘的(100)p-型GaAs衬底上,并且在量子阱层结构的生长过程中,在GaAs阱层中央进行了Be受主的δ-掺杂。基于这3个结构样品,通过光刻技术和半导体加工工艺制备了相应的两端器件。在4～200 K的温度范围内,我们分别测量了器件的电流-电压特征曲线,清楚地观察到了重、轻空穴通过δ-掺杂Be受主GaAs/AlAs多量子阱结构的共振隧穿现象。发现随着GaAs量子阱层宽的逐渐减小,轻空穴的共振隧穿峰向着高电压方向移动,这个结果和通过AlAs/GaAs/AlAs双势垒结构模型计算的结果是一致的。然而,随着测量温度的进一步升高,两个轻空穴共振峰都朝着低电压的方向移动,并且在150 K温度下,其中一个共振遂穿峰表现为一种振动模式。     

利用含负折射率材料的光子晶体实现角度滤波器

利用光子晶体的共振隧穿效应，并结合由负折射材料引起的零平均折射率带隙，设计出一种新型的角度滤波器，使得对于某一频率范围内的入射电磁波仅在特定入射角度的波能够全透，而其他角度的波不能透过.这将在微波器件乃至光学器件上有广泛应用. 关键词： 光子晶体 负折射率材料 共振隧穿     

半导体量子器件物理讲座第四讲 共振隧穿器件及其电路应用

当一个电子的能量低于势垒高度时,它仍可以隧穿通过势垒,在一定条件下,双势垒结构中电子的隧穿几率甚至可以接近1,利用这种共振隧穿现象可以做成共振隧穿二极管,它的电流－电压特性曲线中会出现负微分电阻,利用这种负阻效应可以做成高频振荡器和倍频器等电子器件,双势垒结构与通常的双极晶体管结合可以做成共振隧穿双极晶体管,它们可以用来做成多态记忆器和模数转换器等器件。     

石墨炔/石墨烯异质结纳米共振隧穿晶体管第一原理研究

石墨烯和石墨炔的化学相容性表明它们能够以不同形式组合在一起,从而构建新型超高频纳米晶体管.通过石墨烯-石墨炔-石墨烯异质结纳米带构建双极器件模拟了两种新型纳米共振隧穿晶体管,根据基于密度泛函理论的第一原理和非平衡格林函数方法对该晶体管的电子结构和量子输运特性进行了理论计算.电子透射谱和电流-电压曲线的计算结果证明该晶体管的电流主要来源于共振隧穿跃迁并可由横向栅极电压控制,因此可用作超高频纳米晶体管.     

一类弯曲量子线的量子束缚态

对电子在弯曲量子线中的弹道输运性质进行了理论研究.弯曲量子线由T型量子线和单曲量子线组成.该有限长的量子结构分别与两半无限长的量子通道相连,当施加一偏压时,量子通道分别可作为电子的发射极和收集极.计算结果表明,当入射电子的能量小于量子结构横向上的第一个本征模时,电导存在两个峰.进一步指出,这些峰来自于电子共振隧穿量子结构中的量子束缚态.并详尽地讨论了这些量子束缚态的性质. 关键词： 量子束缚态 共振隧穿 电导 量子线