自组织量子点的量子态光学探测(英文)

半导体量子点主要包括在真空中外延生长的自组织量子点和在溶液中采用化学方法合成的胶体量子点,由于量子限制效应所导致的分立能级结构使得它们通常被称为"人工原子"。和自然原子不同,半导体量子点的能级结构强烈依赖于其尺寸和形状,这样就提供了更为灵活的方法来控制固体材料中的光与材料的相互作用。近年来,许多类原子的量子光学现象(包括量子干涉、Rabi振荡和Mollow荧光)都已经在单个的自组织量子点中揭示出来。与此形成对比的是,上述所有的类原子量子光学特性目前还没有在单个的胶体量子点中观察得到。在本文中,我们将侧重于介绍我们科研组以及我们和别的科研组合作对单个自组织量子点的单量子态在光学探测和相干控制方面完成的一系列工作。对单个的胶体量子点,我们认为量子相干特性的测量和控制将在新近合成的非荧光闪烁或荧光闪烁得到抑制的材料体系中得以实现。     

球形壳核量子点中杂质能谱及其非线性光学吸收性质的研究

量子点是一种新型的低维半导体材料,其非线性光学效应是人们关注的重点。本文主要针对球形壳核量子点中的非线性光学吸收特性展开讨论,拟运用了有限差分方法求解球形壳核量子点中杂质态的能级与束缚能。进一步采用密度矩阵法和迭代法获得系统光吸收系数表达式,分析形壳核量子点中的非线性光吸收系数影响因素。研究结果表明:球形壳核量子点中电子的9个低能级都会随着量子点半径R的增大而降低。在考虑加入杂质时,能级会降落得更快,并且引起能级排序之间的变化,从而导致束缚能级排序的变化。对于固定的径向量子数而言,我们发现相邻能级之间的能级间隔会增加,这导致了吸收峰谱线发生蓝移。此外,总的光吸收系数的强度随入射光强度的变化明显发生改变。当入射光强度增大时,不管是否考虑杂质,总的吸收系数在急剧地减少。当入射光强度达到一定值时,吸收峰达到饱和。当入射光强度超过这个临界值,吸收谱线会被分裂成两个吸收峰。     

单量子点的发光与应用EI北大核心CSCD

由于量子限制效应,自组装半导体单量子点具有类似于原子的分立能级,可实现高不可分辨、高亮度和高纯度的单光子发射,其多种激子态能够产生不同偏振模式的光子。而光学微纳结构是调控量子点发光性质的有效手段,当单个量子点与光学微腔发生弱耦合时,Purcell效应将大大提高量子点作为单光子源或纠缠光子对源的性能。同时,量子点与光学微腔的强耦合系统可以作为量子光学网络中的量子节点,以及用于研究单光子水平的光学非线性效应。利用量子点与光学波导的耦合可实现固态量子比特和飞行光子比特的相干转换,以及高效的信息处理与传输,由此构建可靠的片上光学网络。此外,单量子点还具有可操控的自旋态,可作为量子比特的载体。考虑到量子点器件的制备过程易与成熟的半导体技术相结合,基于量子点的器件设计具有良好的可扩展性和集成化潜力。     

计及激子-双激子相干下半导体单量子点中的空间光孤子对

考虑激子-双激子的相干效应, 解析地研究了半导体单量子点中探测光和信号光的吸收特性和非线性传播特性.结果发现, 在线性条件下, 单量子点中出现电磁感应透明现象; 进一步分析可得, 电磁感应透明所呈现的是单窗口或双窗口或光学增益均可通过调节控制光强加以控制.在非线性条件下, 弱信号光诱导弱探测光产生两个分量, 这两个分量在系统中所激发的自克尔和交叉克尔 非线性效应与系统的衍射效应相平衡从而形成稳定的亮-亮, 亮-暗, 暗-暗等空间光孤子对. 关键词： 半导体量子点 电磁感应透明 空间光孤子对     

双激子和浸润层泄漏以及俄歇俘获对量子点Rabi振荡衰减的影响

研究了脉冲激光激发下半导体量子点激子Rabi振荡中多能级过程引起的退相干特性.运用多能级粒子数运动方程组，分别计算和分析了三种多能级过程(双激子、浸润层泄漏以及俄歇俘获过程)对量子点中Rabi振荡衰减的影响.分析表明，双激子的影响在激发脉冲的脉宽较长时(>5ps)可以忽略；浸润层的泄漏虽然使得激子基态上粒子数振荡的振幅随着激发场的增强而减小，但是同时也导致了振荡平均值的减小；分析和讨论了两种俄歇俘获方式对激子振荡和复合发光的影响. 关键词： Rabi振荡 半导体量子点 退相干 俄歇俘获     

电磁场中施主中心量子点内磁极化子态寿命与qubit退相干

采用Lee-Low-Pines变换和Pekar类型变分法推导出非对称高斯势施主中心量子点中磁极化子的基态和激发态能量和波函数,进而构造了qubit所需的二能级结构.基于费米黄金规则研究了磁极化子基态的衰变.通过研究电磁场下材料的介电常数比、电声耦合常数和温度对非对称高斯势施主中心量子点中磁极化子基态寿命的影响,揭示了材料属性与温度、电磁场等环境因素对量子点qubit退相干的影响,进而揭示了体纵光学声子效应导致量子点qubit退相干的机理.     

自组织量子点光致荧光的温度依赖性

自组织量子点光致荧光的温度依赖性研究,对于实现室温下高效的量子点光电器件有着非常重要的意义。而量子点中的载流子动力学过程将决定其光致荧光的温度依赖性。采用稳态速率方程模型模拟了自组织量子点中载流子动力学过程,并且考虑了量子点材料带隙随温度的变化;模拟了不同温度下自组织量子点的光致荧光光谱,并获得了光谱的积分强度、峰值能量及半峰全宽随温度的变化曲线。研究表明:模拟结果与已报道的实验数据符合得很好。由此可知,所采用的模型能够很好地反映自组织量子点中的载流子动力学过程。     

自组织生长锗硅量子点及其特性

半导体量子点的研究是当今物理学研究的热点之一．文章阐述了锗硅量子点自组织生长方法的基本原理和技术，并介绍了所制备的量子点材料的形貌结构、光学特性、电学特性及今后的发展方向．     

超冷单原子分子阵列

用光镊形成光阱囚禁单个原子、用激光将单个原子冷却到基态形成超冷原子、将超冷原子相干合成单个超冷分子、将单原子分子重排串成丰富多样的超冷单原子分子阵列,这就构成了精密相干可控的多粒子量子系统,为多种前沿科学研究与技术发展提供难得的量子平台.文章介绍近年来在单原子量子态高保真操控、异核原子量子纠缠、原子一分子耦合态相干控制...     

原子类原子系统光学特性的量子相干调控应用基础研究

简要介绍了在原子类原子小量子系统光学特性的量子相干调控应用基础研究方面所取得的一些成果,主要包括周期调制场控制弱光孤子传输、光学腔超窄线宽输出、非对称双量子阱中光学前驱波的分离以及极性分子系统中的电磁诱导透明现象等.     

InAs自组装量子点GaAs肖特基二极管中的电流输运特性

设计了含有InAs自组装量子点(SAQDs)的新型金属半导体金属隧穿结构,研究了其直流输运特性,观察到了电流迟滞回路现象.这种回路现象是由于紧邻金属肖特基接触的量子点充电和放电引起的,也可以说是由外加电压控制的量子点的单电子过程引起的.分析了量子点总体的充放电特性,量子点中电子在高电场下隧穿出量子点的概率变化决定了量子点的放电过程,而充电过程是由流过量子点层的二极管正向电流决定.理论拟合结果显示充电过程主要由于量子点基态能级俘获电子照成的,激发态对量子点充放电过程只有微弱影响. 关键词： 迟滞现象 自组装量子点 单电子过程     

利用Raman相互作用构造类可控非门

利用一个参量频率转换过程,在腔中制备双模SU(2)相干态,然后注入A型三能级原子,使之与腔场的一个模发生Raman相互作用,生成腔场-原子纠缠态,通过对原子进行选择性测量,可获得奇偶SU(2)相干态.我们分别将原子能级和奇偶相干态编者按码为目标量子比特和控制量子比特,利用Raman相互作用可构造出类可控非门.     

初态与纯失相对半导体量子点V型三能级系统拉比振荡的影响

相干光学操控半导体量子点(SQDs)激子态在量子信息、量子计算中具有很重要的应用。通过对影响量子点(QDs)拉比振荡因素的分析,可获得导致量子点体系退相干的物理机制,这为全光操控半导体量子点体系提供了理论依据。线偏振脉冲激光激发自组织InGaAsQDs,运用系统粒子数主方程并结合光学布洛赫矢量推导了单脉冲激发下V型三能级系统激子动力学方程,利用此方程讨论了初始状态及纯失相对拉比振荡的影响。研究表明,可以通过改变系统初态条件和激发场的偏振角对该体系激子拉比振荡的振幅和频率进行调控,可以用纯失相强度相关衰减因子等效地分析V型三能级体系的退相干特性,从而使相关计算得到了简化。     

准一维半导体量子点中电偶极自旋共振的物理机理

半导体量子点中的电子自旋具有较长相干时间以及可扩展性的特点, 在近十几年来引起了人们的广泛兴趣. 人们常常利用电子自旋共振技术来对单个自旋进行操纵. 这样不但需要一个静磁场来使电子产生赛曼劈裂, 同时还需要一个与之垂直的局域振荡磁场. 但是, 在实验上产生足够强且具有固定频率的局域磁场是比较困难的. 后来人们发现, 局域的振荡电场也可以操纵单个电子自旋, 也就是所谓的电偶极自旋共振. 众所周知, 自旋只有自旋磁矩, 不会与电场有任何直接的相互作用. 所以, 电偶极自旋共振的发生必须依赖于某些媒质. 这些媒质包括：量子点材料中的自旋轨道耦合作用, 量子点中的局域磁场梯度, 以及量子点中电子自旋与核自旋的超精细相互作用. 这些媒质能诱导出自旋与电场之间间接的相互作用, 从而外电场操纵单个电子自旋得以实现. 本文总结归纳了目前半导体量子点系统中发生电偶极自旋共振的三种主要物理机理.     

载流子热迁移对自组织量子点光致荧光的影响

自组织量子点光致荧光的温度依赖性研究对实现高效的量子点光电器件有着非常重要的意义,而量子点中载流子的动力学过程会对量子点光致荧光产生直接影响。采用稳态速率方程模型,在考虑了自组织量子点中载流子热迁移的情况下,模拟获得了不同温度下自组织量子点的光致荧光光谱,并着重研究了三组具有不同基态能量的量子点的光致荧光强度随温度的变化。研究表明,随着温度升高,基态能量较高的量子点光致荧光强度减弱,而基态能量较低的量子点光致荧光强度则增强,当温度达到一定值时,所有量子点的光致荧光都将发生热猝灭。     

气源MBE外延自组装GeSi量子点光致荧光研究

利用气源分子束外延设备（MBE）制作了GeSi自组装量子点样品。利用原子力显微镜（AFM）和光致荧光（PL）光谱研究了量子点的形貌和光学性质。气源MBE在较低温度下生长的量子点材料具有较高的量子点覆盖度。200K以下载流子以局域激子形式束缚在量子点中,激子束缚能约为17meV。升温至200K,载流子的输运过程发生变化。对量子点PL积分强度与温度关系曲线进行拟合得到量子点中空穴跃迁至浸润层的热激活能为129meV。     

椭圆柱形量子点的能级结构

采用椭圆柱坐标及无限深势阱模型对椭圆柱形量子点进行了研究，给出了计算椭圆柱形量子点中单电子的能级结构和波函数的表达式. 关键词： 量子点 人造原子 能级 波函数     

单光子源及在量子信息领域的应用

光量子比特是量子计算和量子通信的理想候选体系之一。高效率、高品质、确定性的单光子源是实现光学量子计算和绝对安全量子通信的重要前提条件。自组装半导体量子点,又称“人造原子”,具有优良的单光子性和光子全同性,是理想的单光子源。此外,量子点可以通过外加电场,囚禁单个原子或空穴,作为光子-自旋比特的界面,构建可扩展光量子网络。微柱腔耦合的量子点,拥有很强的Purcell效应,在保持单光子性和光子全同性的同时,大大地提高了提取效率,且具有很好的相干性,可用于大规模量子计算。近年来,人们在二维单原子层材料中发现了非经典的单光子发射,使二维材料和量子光学领域得到了结合,开辟了新的研究路线：探索单原子层材料在量子技术的潜在应用。和传统固态单光子源系统相比,二维材料更易于与其他光电平台结合,可人为控制缺陷位置,有利于推动高品质、低成本单光子源的发展,得到了科学家的广泛关注。本报告首先从量子计算和量子通信两方面提出发展单光子源的意义,接着介绍单光子源的性质和产生原理,然后介绍单光子源在自组装半导体量子点和二维单原子层材料中的实现和发展,最后从光子-自旋量子隐形传态和玻色采样实验中讨论单光子源在量子计算和量子网络方面的应用前景。     

低频强场作用下三维光子晶体中单个二能级原子的自发辐射

控制受激原子的自发辐射是当前量子光学领域的一个重要课题.现有的研究表明,原子不同跃迁通道之间的量子干涉导致了新的光学现象,如无粒子数反转光放大,光谱变化,自发辐射相消等.Evers和Keitel提出了一种非常有效的方法,相当大地降低了一个二能级系统中上能态布居数的衰减;在他们的方法中,一个相干的强的低频场作用于单个二能级原子,此场的频率低于原子跃迁的整个衰减宽度,产生了由上能级到下能级原子态的不同衰减通道,从而导致自发辐射的量子干涉,显著地抑制了自发辐射.另一方面:在光学和固体物理领域,光子晶体引起了人们很大的兴趣.     

气源MBE外延自组装GeSi量子点的光致荧光

利用气源分子束外延技术(MBE)制作了GeSi自组装量子点样品.利用原子力显微镜(AFM)和光致荧光(PL)光谱研究了该量子点的形貌和光学性质.气源MBE在较低温度下生长的量子点材料具有较高的量子点覆盖度.200K以下载流子以局域激子形式束缚在量子点中,激子束缚能约为17 meV.升温至200 K,载流子的输运过程发生...