微纳尺度腔量子电动力学

腔量子电动力学是在单量子层次上研究光和物质相互作用,在光和原子的强弱耦合、量子相干以及量子信息等方面取得了巨大的成功。通过局域场增强效应,微纳光子结构可以极大地提高光和量子体系的耦合强度,给传统腔量子电动力学带来了新的研究机遇。文章综述了微纳尺度腔量子电动力学的基本原理、重要进展以及可能的应用,特别是在基于金属微纳结构的复合体系中的量子光学效应。这些研究工作不但丰富了光和物质相互作用的内容,还将为芯片上量子信息过程及其可扩展量子网络提供一定的基础。     

半导体纳米材料和物理

半导体纳米材料是纳米材料的一个重要组成部分，纳米结构的电子和光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的核心。文章介绍了半导体纳米材料研究的新进展，包括四个方面：半导体自组织生长量子点，纳米晶体，微腔光子晶体和纳米结构中的自旋电子学。本世纪开始的半导体纳米材料的研究是上世纪半导体超晶格量子阱研究的延续，同时又开辟了一些新的领域，如：单电子的电子学、单光子的光子学，微腔和光子晶体，稀磁半导体和自旋电子的相干输运等，这些研究将为研制在新原理基础上的新器件和实现量子计算、量子通信打下基础。     

基于半导体量子点的片上手性纳米光子器件

手性量子光学在量子信息技术研究领域中受到了广泛的关注,其主要研究光在微纳结构中自旋依赖的手性耦合及传输行为。利用手性光与物质的相互作用可以增强光子与量子发射器的耦合,赋予纳米光子器件新的功能和应用,从而推动手性量子光学在量子信息领域中的大规模应用。主要对基于半导体量子点的片上手性纳米光子器件进行了综述,重点讨论了半导体量子点的光学性质和手性光与物质相互作用的物理机制,在此基础上对近年来应用手性耦合原理实现的多功能手性光子器件进行了总结,并对手性量子光学的未来应用场景进行了展望。     

量子电动力学—粒子模拟极端等离子体动力学研究

新一代拍瓦激光装置有望将激光强度提升至10²³~10²⁴ W·cm^-2,在此极端强场条件下非线性量子电动力学效应对等离子体动力学过程产生重要影响.相对论电子在强电磁场作用下会同步辐射大量伽马光子,当后者穿过超强电磁场时会级联产生正负电子对.与此同时,这些量子电动力学效应也会反作用于激光等离子体相互作用过程,如辐射阻尼严重影响电子运动过程.为了研究这样极端的等离子体动力学,我们介绍最近几年发展的量子电动力学数值模拟模块,并将其耦合到传统的粒子模拟程序中,即量子电动力学-粒子模拟程序.由于大量新辐射的光子和产生的正负电子对会造成模拟粒子数目的不断增加,我们发展了粒子融合技术来减小模拟规模.利用此量子电动力学-粒子模拟程序,我们对极端强场激光物质相互作用以及极端天体物理现象开展了数值模拟研究.     

半导体光学微腔—研究腔量子电动力学效应的绝妙范例

光学微腔中真空场和电子的行为与它们在自由空间中截然不同，导致了腔量子电动力学的一系列复杂性物理问题，半导体光学微腔是新一代凝聚态微型谐振器的典型代表，是探索腔量子电动力学，寻求新型微腔器及其应用的绝妙范例。文章概要介绍了几种典型的半导体光学微腔及其研究进展。     

微纳加工技术在光电子领域的应用

纳米光电子器件正在成为下一代光电子器件的核心。文章介绍了电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀为代表的徽纳加工技术在光电子学器件中的应用。主要包括量子点激光器、量子点THz探测器和光子晶体器件。     

光学腔量子电动力学的实验进展

研究受限在微腔中的光场与原子的相互作用可以帮助我们深刻认识原子与光子作用的动力学过程，腔量子电动力学是研究光子与原子相互作用的一种有力工具，强作用腔量子电动力学的研究为量子信息提供了一种实现量子逻辑运算的途径，文章简要介绍该研究领域的背景、现状及发展动态。     

从电子技术(实物)到光子技术(场)

当前，人类正进入信息化时代；这是微电子技术、光电子技术、通信技术、计算机科学与技术、自动化、精密机械等应用性很强的科学技术综合发展的结果．在迈人信息化社会的进程中，光电子技术起着十分重要的作用．它是继微电子技术之后，近十几年来迅速发展的新兴高科技，集中了固体物理、导波光学、材料科学、微细加工和半导体的科研成就，成为电子技术与光子技术的自然结合与扩展，是具有强烈应用背景的新兴交叉学科．这些都说明了从电荷-电子-电子学-电子工程-电子技术到光-光子-光子学-光子工程-光子技术发展的必然趋势，也是从量子力学（实物）到量子电动力学、量子场论（场）发展的必然结果：信息技术的发展在20世纪是由电子学向光电子学发展的阶段；     

未来十年纳米光子学若干重点发展领域

纳米光子学已经对人们的日常生活产生了重要影响,并且纳米光子学器件产品有强大的市场需求,因此其研究结果可以很快转化为商品。文章介绍了在未来5到10年内对光子工业有重大影响并且有望进入商品市场的11个纳米光子学领域,其中包括:纳米尺度量子光子学、全光路由、用于增强磁存储的表面等离子体光子学、用于诊断治疗和药物输送纳米光子学、纳米成像、分子尺度上的化学与生物传感器、纳米标签、纳米尺度上操控光场的分布(光伏器件和LED/OLED)、原型试制的新技术、量身定制光学特性的纳米光子材料以及太赫兹技术等,希望文章能对中国的纳米光子学研究及其工业化应用有一定帮助。     

ZnO一维纳米线及其异质结构的外延生长

一维纳米结构因其优异的光、电特性，在纳米电子学，光电子学器件等方面有重要的应用价值而倍受关注．在一维半导体纳米材料中，ZnO因激子束缚能大（60meV），可在室温获得高效的紫外发光而成为近年来继GaN材料后的又一研究热点．外延生长一维纳米结构ZnO及其量子阱材料除因量子尺寸效应更适宜做室温紫外发光、激光材料与器件外，还因界面和量子限制效应而具有许多新奇的光、电、和力学特性，可应用于纳米光电子学器件，传感器及存储器件，纳米尺度共振隧道结型器件和场效应晶体管的研制和开发．文章着重介绍了目前ZnO一维纳米结构制备，一维ZnO纳米异质结构和一维ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱结构的外延生长和研究进展．     

Two-photon reduction: a cost-effective method for fabrication of functional metallic nanostructures

Metallic nanostructures have underpinned plasmonic-based advanced photonic devices in a broad range of research fields over the last decade including physics, engineering, material science and bioscience. The key to realizing functional plasmonic resonances that can manipulate light at the optical frequencies relies on the creation of conductive metallic structures at the nanoscale with low structural defects. Currently, most plasmonic nanostructures are fabricated either by electron beam lithography (EBL) or by focused ion beam (FIB) milling, which are expensive, complicated and time-consuming. In comparison, the direct laser writing (DLW) technique has demonstrated its high spatial resolution and cost-effectiveness in three-dimensional fabrication of micro/nanostructures. Furthermore, the recent breakthroughs in superresolution nanofabrication and parallel writing have significantly advanced the fabrication resolution and throughput of the DLW method and made it one of the promising future nanofabrication technologies with low-cost and scalability. In this review, we provide a comprehensive summary of the state-of-the-art DLW fabrication technology for nanometer scale metallic structures. The fabrication mechanisms, different material choices, fabrication capability, including resolution, conductivity and structure surface smoothness, as well as the characterization methods and achievable devices for different applications are presented. In particular, the development trends of the field and the perspectives for future opportunities and challenges are provided at the end of the review. It has been demonstrated that the quality of the metallic structures fabricated using the DLW method is excellent compared with other methods providing a new and enabling platform for functional nanophotonic device fabrication.     

等离子体的光电转换以及激光刻蚀金纳米颗粒(英文)

Anewtechnologyforthedevelopmentofop icandphotonicdevicesandsystemstakingad antagesofextraordinaryenhancementandlocal ationofsurfaceplasmonmaybecalledas“plas onics”.Anoteworthycharacteristicofgold anoparticlesisthattheyshowstrongabsorption andsinthevisib…     

二维光量子阱共振隧穿光谱特性的改善

用时域有限差分法研究了光子晶体量子阱中的量子化能态.研究发现,开腔与闭腔光量子阱结构共振透射峰的数目相同,位置几乎不变,但闭腔光量子阱出射光强更强,透射率更大,频率选择性更好,品质因子Q值更高.同时计算了开腔和闭腔光量子阱光场分布,结果表明,开腔光量子阱为行波阱,闭腔光量子阱为驻波阱,充分证实了闭腔光量子阱更能束缚光场的设想,对其作用机理进行了探讨.     

二维三角晶格光子晶体波导的出射光集束传播

为了解决光子晶体波导出射端光场控制, 同时解决二维三角晶格光子晶体波导出射光辐射困难的问题。利用二维三角晶格光子晶体设计了一种新型光子晶体波导出射口结构。在二维三角晶格光子晶体波导出射端引入两个微腔, 通过光波与微腔发生共振, 形成类似于三个点光源干涉的出射光, 同时进一步提出波导出射端喇叭口干涉出射光定向辐射的设计。通过这种微腔喇叭口设计, 利用时域有限差分法分析结果表明光波实现很好的定向辐射, 并且辐射距离显著提高。     

Electron waveguide devices

The discovery of electron waveguiding in one-dimensional (1D) semiconductor nanostructures has uncovered a new regime of electron transport with fascinating physics. The device potential of electron waveguides, however, remains largely unexplored. Over the last few years, our interuniversity team has been conducting research on the physics, technology and opportunities for device applications of split-gate AlGaAs/GaAs electron waveguides. We have examined electronic devices based on electron transport, tunneling and interference. Many problems have been identified in transport-type devices, but much more research is required before the engineering potential of tunneling and interference devices is understood. We have also investigated the potential of electron waveguides in photonic applications, with emphasis on far-infrared (or THz) photodetectors. Our research to date has revealed strong photon-induced currents in antenna-coupled electron waveguides that arise from quantum thermopower. Far-infrared photodetectors based on photon-induced quantum transport remain an interesting opportunity for the application of electron waveguides.     

Quantum dots in photonic crystals: From quantum information processing to single photon nonlinear optics

Quantum dots in photonic crystals are interesting both as a testbed for fundamental cavity quantum electrodynamics (QED) experiments and as a platform for quantum and classical information processing. We describe a technique to coherently access the QD-cavity system by resonant light scattering. Among other things, the coherent access enables a giant optical nonlinearity associated with the saturation of a single quantum dot strongly coupled to a photonic crystal cavity. We explore this nonlinearity to implement controlled phase and amplitude modulation between two modes of light at the single photon level—a nonlinearity observed so far only in atomic physics systems. We also measured the photon statistics of the reflected beam at various detunings with the QD/cavity system. These measurements reveal effects such as photon blockade and photon-induced tunneling, for the first time in solid state. These demonstrations lie at the core of a number of proposals for quantum information processing, and could also be employed to build novel devices, such as optical switches controlled at the single photon level.     

热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测

受不可逆损失的影响,热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制.本文揭示不可逆损失来源,提供热光伏能量转换器件性能提升方案.利用半导体物理和普朗克热辐射理论,确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率.进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响,预测热光伏器件优化性能.确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间.结果表明:相比于理想热光伏器件,非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低;优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度,可提升器件的功率密度和效率.通过对比发现理论与实验结果较一致,所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.     

Graph models for waves in thin structures

A brief survey on graph models for wave propagation in thin structures is presented. Such models arise in many areas of mathematics, physics, chemistry and engineering (dynamical systems, nanotechnology, mesoscopic systems, photonic crystals etc). Considerations are limited to spectral problems, although references to works with other studies are provided.