强耦合串联石墨烯纳米机械振子

与微米机械振子相比, 纳米机械振子使用纳米级材料制备, 尺寸更小, 质量更轻, 它作为探测器, 在探测力、质量等物理量时拥有更高的灵敏度. 石墨烯有高强度、 低密度等优良的机械特性, 被认为是制备纳米机械振子的理想材料. 基于其制备的石墨烯纳米机械振子有着高谐振频率、高品质因子和谐振频率可调性高等优势, 对于纳米力学的基础研究和应用都具有重要的意义. 本文利用微纳加工工艺(包括电子束曝光、 电子束蒸发镀膜、 反应离子刻蚀和微米级定点干法转移技术)制备了串联石墨烯纳米机械振子样品, 并在极低温下(10 mK) 测量了石墨烯机械振子的机械性质, 实现两个串联石墨烯纳米机械振子的强耦合, 耦合强度为1.34 MHz, 协同系数C = 399.     

3D-Transmon与压电振子的量子耦合系统北大核心

微机械振子在量子信息领域有着重要的应用,可用作量子存储器、量子换能器等.鉴于三维传输子量子比特(3D-Transmon)优良的退相干特性以及AlN压电振子较高的谐振频率,我们利用微纳加工技术,在蓝宝石基片上成功制备了3D-Transmon与AlN压电振子的量子耦合系统.实际测量结果显示,在外加磁场偏置下,量子比特的跃迁频率可调范围为4.1~9.8 GHz,能量弛豫时间T1约为4.7μs,并且测量到了能级免交叉现象.这些结果为今后超导量子比特与微机械振子耦合系统的深入研究提供了重要参考.     

品质因子可调的石墨烯纳米机械振子

纳米机械振子尺寸小,质量轻,可以用来制作探测力、质量等微小物理量的超灵敏探测器.石墨烯拥有质量轻、密度低和杨氏模量高等特性,被认为是制作纳米机械振子的理想材料.石墨烯纳米机械振子因其具有的谐振频率高、品质因子高和谐振频率可调性高等优势,近年来得到了人们的广泛关注.作为表征纳米机械振子性能的一个重要指标,品质因子越高,意味着纳米机械振子耗散越低,纳米机械振子的灵敏度越高.本文通过微纳加工的工艺制备出一种谐振频率随栅压可调(调节的范围为73MHz~90MHz)的石墨烯纳米机械振子样品,研究其在极低温高真空环境下的品质因子与栅极电压之间的关系.实验表明通过栅压调节振子的内部应力,能够使石墨烯纳米机械振子品质因子从220提高到1000.我们的结果为二维材料纳米机械振子的耗散研究提供了一种新的研究思路.     

金刚石氮空位色心耦合机械振子和腔场系统中方差压缩研究

研究了金刚石氮空位中心(NV色心)同时耦合腔场和机械振子系统中声子场的方差压缩动力学特性,分析了金刚石NV色心初态和NV色心与机械振子耦合强度对声子场方差压缩影响.结果发现:可以制备压缩时间长、压缩幅度大的声子场压缩态,其物理原因是机械振子具有最大相干性,并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控,从而在理论上提供了一种调控声子场方差压缩的方式.     

光腔中薄膜振子与电磁场耦合关系的数值解

文章以光腔中有两个薄膜振子的情况为例,介绍了计算薄膜振子与电磁场耦合关系的基本原理和数值方法.利用该方法可以求出薄膜振子在腔内任意位置处与电磁场的耦合关系.     

含色散介质的一维光子晶体微腔中简正耦合模的物理图像

对一维光子晶体中的色散介质采用洛伦兹振子模型,对线性层及色散δ层均采用传输矩阵的方法,研究了一维含色散介质的光子晶体微腔中的简正耦合模.通过改变洛伦兹振子和微腔之间的失谐频率,分析了简正耦合模频率的变化情况.在失谐频率比较大时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较小,简正耦合模中的一个接近腔模频率,而另一个则接近洛仑兹振子的共振频率;在失谐频率比较小时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较大,简正耦合模与未耦合的腔模频率和洛仑兹振子的共振频率之间的差别较为明显.最后通过引进该结构的复有效折射率,对含色散介质的系统,由于带隙中间的共振模被湮灭并分裂为左右两个耦合模,其复有效折射率虚部在原共振峰处跃变为一较大值,而在新生成的两个耦合模附近趋近于零,光与色散介质相互耦合而形成的腔极化激元的物理图像十分清晰.     

SiO_2薄膜红外波段介电常数谱的高斯振子模型研究

在无定形SiO_2非晶材料红外波段反常色散区介电常数研究中,复合高斯振乎模型是介电常数重要的色散模型之一,复合振子中振子的数量和物理意义是重要的研究内容.基于化学计量学中的因子分析技术,提出将SiO_2薄膜特征振动峰的数量等效为化学姐分的振子数量的方法.采用离子束漉射沉积方法制备了厚度分别为100,200,...,800 mn的8种SiO_2薄膜样品,以这8个样品的红外光谱透射率作为光谱矩阵元素.通过因子分析技术确定了400—4000 cm~(-1)波数范围内高斯振子数量为9个,使SiO_2薄膜的介电常数反横计算结果具有明确的物理意义.通过对3000—4000 cm~(-1)波数范围内介电常数的分析,确定了薄膜中具有明显的含水(或择基)化学缺陷,并且这种缺陷影响到整个红外波段内的介电常数.     

MoRe合金超导微波平面腔的制备

超导微波平面腔作为多种量子比特的读出方式及实现多比特长程耦合的媒介，已成为固态量子信息处理领域的研究热点。相比于传统的Al腔，MoRe腔不容易氧化，使得MoRe腔能够更加方便地用于机械振子、石墨烯超导结等实验研究中。同时由于第二类超导体MoRe合金具有临界温度高、临界磁场大等优异性质，这使得MoRe合金超导微波平面腔可以在4.2 K的液氦环境下工作，而且这种腔能够工作在更高磁场的环境下。因此本文设计并且仿真了MoRe合金微波平面腔的结构，探索了MoRe微波平面腔的微纳加工工艺（包括磁控溅射镀膜、光刻及干法刻蚀），解决了制备过程中出现的金属孤岛等工艺问题，成功制备出在20 mK的环境下Q值高达28000的MoRe合金超导微波平面腔。     

金属有机分解法制备的SrTiO3薄膜的光学特性

采用金属有机分解法（MOD）在石英衬底上沉积了SrTiO3薄膜。所制备的薄膜是晶格常数为a=b=c=3.90?的多晶结构。通过测量190—1100nm波段内的透射光谱，采用包络方法计算了薄膜的光学常数（折射率n和消光系数k）。结果表明，采用MOD方法制备的薄膜的折射率大于采用射频磁控溅射、溶胶—凝胶和化学气相沉积方法制备的薄膜的折射率；薄膜的折射率色散关系满足单振子模型，其中振子强度S0为0.88′1014m-2，振子能量E0为6.40eV；薄膜的禁带宽度为3.68eV。     

一维对称光子晶体的简正耦合模

对一维对称光子晶体中的色散介质采用洛仑兹振子模型,通过考虑色散介质层两侧的边界条件,得到了表征色散介质层的转移矩阵.对线性层及色散δ层均采用传输矩阵的方法,研究了一维含色散介质的光子晶体微腔中的简正耦合模.由于光与色散介质的相互作用,纵腔模将分裂成简正耦合模.通过改变色散介质的相关参数,详细研究了简正耦合模频率的移动、均匀展宽效应和失谐效应.发现两个简正的耦合模的频率间距主要依赖于振子的耦合强度,与约化的振子的HWHM线宽无关.失谐效应则会使其中的一个峰降低,而另一个峰相对拉高,这一现象可以通过Fabry-Pérot腔得到很好的解释.     

基于超强耦合量子点-纳米机械振子系统的全光学质量传感

提出一种复合量子点-纳米机械振子系统,该系统以半导体芯片为基底,量子点嵌入倒置半导体圆锥纳米线的底端,通过光学抽运-探测技术来驱动量子点-纳米机械振子系统,研究该系统中的相干光学特性.通过探测吸收谱给出确定机械振子频率和量子点-纳米机械振子耦合强度的全光学方法.此外,基于该系统理论上提出一种在室温下的全光学质量传感方案.通过测量吸收谱中附着在机械振子上纳米颗粒的质量引起的共振频移,可间接测出额外纳米颗粒的质量.与先前的复合纳米机械振子系统相比,系统中的激子-声子耦合强度的数值可与振子频率比拟,可实现超强耦合,有利于相干光学特性的观测,在超高精度及高分辨率质量传感器件方面有着潜在应用.     

三机械薄膜腔光力系统相互作用的研究

本文主要研究了利用传输矩阵理论和共振透射条件详细地推导光腔中均匀放置三个机械薄膜构成的腔光力系统中系统本征模式随机械运动的色散关系.计算结果发现系统的光学本征模式由一组四个的本征能级构成,且不同的能级随不同的机械运动模式的变化曲线各不相同,进而导致不同光学模式与不同机械运动模式之间的耦合也不相同.此外,利用微扰理论求解了当机械运动振幅远小于腔模波长、机械振子处于平衡位置附近时,各种光学模式与不同机械振动模式间相互作用耦合强度的解析表达式.研究结果能够为理论和实验上研究多模腔光力系统提供一定的参考.     

二次耦合光力学系统的一类高维可控自持振荡行为

光力学系统通常的耦合是光压耦合, 是光场强度和纳米振子位移的一次耦合, 但在光场很强和振子振幅较大的光力学系统中, 非线性的耦合效应会变得非常明显和重要, 而且其所产生的非线性效应对制造具有特殊功能的光力学器件具有重要意义. 本文在二次耦合模型的基础上研究了光腔和振子之间通过二次耦合作用达到能 量平衡状态时系统所产生的自持振荡现象, 给出了二次耦合光力学系统的一般模型, 并通过数值方法研究了系统的定态行为和远离定态的极限环动力学行为, 标定了系统定态响应的稳定区域到极限环行为的分岔点. 发现在调节输入场参数(改变耦合系数)以及光腔和振子的弛豫系数时, 系统的相空间会出现一些稳定的高维自持振荡极限环. 通过数值分析发现该四维极限环在三维相空间的投影都趋于稳定的三维周期轨道, 并且该极限环轨道会随外部调控参数的改变发生扭动, 出现类似二维李萨如图样的稳定纽结结构. 该现象表明: 通过光场与振子的能量耦合, 利用一定强度的外部驱动可以有效控制振子的定态响应和振动, 可以让微振子锁定在具有一定振幅和频率的自发振动上, 为开发物理器件提供了可靠的光力学控制系统. 关键词： 光力系统 二次耦合 自持振荡 极限环     

基于微波透射法的金属薄膜方块电阻测量理论及其应用

依据矩形波导基模的场分布表达式和电磁边界条件,解析推导了插入金属薄膜后的矩形波导透射系数,建立了考虑介质衬底影响的金属纳米薄膜微波透射系数仿真计算方法及其方块电阻的微波测量方法.运用全波电磁仿真方法对金属纳米薄膜方块电阻的微波测量装置进行了仿真验证,结果表明透射系数幅度与方块电阻的对数之间呈线性关系.采用磁控溅射工艺分别在高阻硅和玻璃两种介质衬底表面制备了不同方块电阻值的银薄膜,并测量其微波透射系数.实测结果表明,提出的方法适用于方块电阻阻值为0.05—0.5?/square的金属薄膜.研究结果对于微纳制造领域的导电薄膜方块电阻表征具有参考价值.     

碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备及力敏特性研究

针对传感器的敏感单元发展需求,提出了一种碳纳米管复合材料.该材料是以碳纳米管作为填充粒子,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机基体,采用超声共混方法制备的一种新型传感器敏感元件.详细分析研究了复合材料的制备工艺参数,以及在不同工艺参数下该复合材料的力敏特性.扫描电镜测试表明碳纳米管在PDMS中分散均匀且镶嵌良好.通过对不同体积分数的碳纳米管与PDMS复合材料进行电学性能测试,研究薄膜的"力-电阻"和"力-电容"耦合性能,测试了薄膜结构的力敏效应.计算得到复合薄膜材料的压阻灵敏度因子达到40,压电容灵敏度因子达到70.实验研究表明,通过改变碳纳米管与PDMS的比例,可以很好地调节其电子输运特性以及电阻和电容的应力敏感特性,可以为该类型的力敏材料在不同的力敏传感技术领域提供新的研究思路.     

非线性光学腔中的相位调制光机械动力学

研究了Fabry-Perot光学腔中包含一个光学参量放大器来增强腔场与机械振子之间的耦合的光机械动力学行为.在解析边带机制下用量子郎之万方程具体研究了振子的涨落光谱、光学多稳态行为、机械阻尼与修正共振频移和基态冷却,通过数值解讨论了辐射压力诱导机械振子和腔场的稳态振幅所展现的光学多稳态行为,同时也分析了辐射压力引起的修...     

基于磁光力系统的相干光学传输特性研究

提出了一个包含磁振子-声子-光子三者相互作用的磁光力系统,该系统由一个磁振子(钇铁石榴石小球)和一个光学谐振腔构成.在该系统中,利用大量自旋的亚铁磁体的集体运动来表征磁振子,并且磁振子和光子通过磁偶极子相互作用耦合,磁振子和声子通过磁致伸缩相互作用耦合.利用严格的量子光学理论与输入-输出关系理论,研究了该系统中的相干光学传输特性.通过调控该系统中的参数,实现了对输出场的有效调控,为宏观量子现象的研究提供了一个有前景的平台.     

非线性光学腔中的相位调制光机械动力学

研究了Fabry-Perot光学腔中包含一个光学参量放大器来增强腔场与机械振子之间的耦合的光机械动力学行为.在解析边带机制下用量子郞之万方程具体研究了振子的涨落光谱、光学多稳态行为、机械阻尼与修正共振频移和基态冷却.通过数值解讨论了辐射压力诱导机械振子和腔场的稳态振幅所展现的光学多稳态行为,同时也分析了辐射压力引起的修正共振频移和机械阻尼与参量增益、输入激光功率和参量相位这三个因素的关系.此外,随着调节泵浦场的参量相位,振子的涨落光谱呈现简正模式分裂.通过精确求解最终有效声子数论证了基态冷却.结果表明,机械振子的冷却由初始浴温度、机械品质因数和参量相位这个三个因素控制.参量相提供一个新的方法来操控非线性光机械动力学.     

强耦合光机械腔中的简正模式分裂和冷却

研究由辐射压力与驱动Fabry-Perot光学腔相耦合而产生的腔光机械动力学行为. 通过量子朗之万方程具体研究了机械振子的涨落光谱、机械阻尼与共振频移和基态冷却. 随着输入激光功率的增加,振子的涨落光谱呈现简正模式分裂的现象,并且数值模拟结果和实验结果相符合. 同时推导了有效机械阻尼和共振频移. 红移边带导致了机械模的冷却,蓝移边带引起了机械模的放大. 此外,引入一种近似机制来研究振子的基态冷却,并且考虑在解析边带机制下简正模式分裂对机械振子冷却的影响. 最后,数值讨论了初始浴温度、输入激光功率和机械品质因数这三个因素对机械振子冷却的影响. 关键词： 腔光机械 辐射压力 简正模式分裂 冷却     

双拉盖尔-高斯腔光力系统中的腔内压缩冷却研究

机械振子的冷却是腔光力学研究的重要方向之一。计算光力噪声谱和稳态的最终声子数,对基于耦合光学参量放大器（OPA）的双拉盖尔-高斯腔光力系统中的腔内压缩冷却问题进行研究。在弱耦合条件下,利用微扰近似理论方法得出系统的光力噪声谱,基于费米黄金法则的理论计算出稳态下的最终声子数的解析表达式。利用入射泵浦光驱动腔场内耦合的OPA,使腔场内形成强烈的非线性压缩效应,量子反作用加热过程得到有效抑制,系统净冷却率得到显著提高。此外,讨论了其他系统参数对机械振子冷却的影响。最后研究了系统的稳态声子数,声子数可以在较大参数范围内小于1。该方案能有效地降低机械振子的冷却极限。