基于单层二硫化钼纳米机械振子的全光学质量传感

提出了一种基于硅/二氧化硅基底的平板状圆形单层二硫化钼纳米机械振子系统。通过将一束较强的抽运激光和一束较弱的探测激光同时作用于该振子系统,实现了一种测量机械振子频率的全光学方法,证明了系统中存在声子诱导透明现象,并给出其物理解释。通过测量探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度,发现激子和振子的耦合强度与线宽呈正比关系,该方法可用来测量激子和振子的耦合强度。基于该纳米机械振子系统,提出了一种全光学质量传感方案。通过测量光谱中的共振频移,可直接得到沉积在二硫化钼振子表面的额外质量。数值结果显示,该振子系统的质量响应率为2.32Hz/ag。单层二硫化钼纳米机械振子系统将在量子传感和基于二硫化钼的全光学器件中得到广泛应用。     

基于量子点相干光学谱的马约拉纳费米子探测

研究了半导体纳米线/超导体复合结构中的马约拉纳费米子的存在情况,提出一种用相干光学谱探测马约拉纳费米子的全光学方法.将一束较强的泵浦激光和一束较弱的探测激光同时作用于半导体量子点,由系统的哈密顿量导出半导体量子点的相干光学谱.数值模拟结果表明,相干光学谱中呈现出由半导体量子点与马约拉纳费米子耦合诱导的明确的马约拉纳费米子迹象.半导体量子点与马约拉纳费米子之间的无接触性,避免了探测中杂质信号的引入.半导体量子点与马约拉纳费米子间的耦合强度和探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度呈正比,可通过测量分裂宽度获得耦合强度,为耦合强度的确定提供了直观的测量方法.     

基于量子点相干光学谱的马约拉纳费米子探测（英文）

研究了半导体纳米线/超导体复合结构中的马约拉纳费米子的存在情况,提出一种用相干光学谱探测马约拉纳费米子的全光学方法.将一束较强的泵浦激光和一束较弱的探测激光同时作用于半导体量子点,由系统的哈密顿量导出半导体量子点的相干光学谱.数值模拟结果表明,相干光学谱中呈现出由半导体量子点与马约拉纳费米子耦合诱导的明确的马约拉纳费米子迹象.半导体量子点与马约拉纳费米子之间的无接触性,避免了探测中杂质信号的引入.半导体量子点与马约拉纳费米子间的耦合强度和探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度呈正比,可通过测量分裂宽度获得耦合强度,为耦合强度的确定提供了直观的测量方法.     

量子点系统中纳米机械振子诱导的光开关

当一个受单色控制场驱动的二能级量子点与单个纳米机械振子相互作用时,作用于此固态量子点系统的弱探测场展现了可调的光开关行为。研究结果表明,当控制场失谐地作用于量子点系统时,改变量子点与纳米机械振子的耦合强度可以有效地实现光开关。同样地,在纳米机械振子的作用下,光开关的行为也可以通过改变控制场的拉比频率来获得。最根本的物理机制是纳米机械振子的耦合建立了量子点的辅助能级,进而控制场诱导了电磁感应透明现象。方案所采取的固态量子系统对宏观量子态有着极其重要的影响,同时这种固态耦合系统的光学开关效应,在光学通信、光子学和非线性光学领域中有着潜在的应用。     

基于双回音壁模式腔光力学系统的光学传播特性和超高分辨率光学质量传感

研究基于双回音壁模式腔光力学系统中的相干光学传播特性,通过控制该系统中两腔之间的耦合,证明了基于光力诱导透明的慢光效应.该系统中的腔-腔耦合起着关键作用,提供了一个量子通道并影响透明窗口的宽度.基于该系统理论上提出一种光学质量传感方案.通过检测探测吸收谱中由于额外质量引起的机械共振频移可直接测出沉积在回音壁腔表面上的额外纳米颗粒的质量.与单腔光力学质量传感相比,多模式光力学系统中腔-腔耦合显著提高了质量传感的分辨率.双回音壁模式光力学系统将在光学存储和超高分辨率质量传感器件上有着潜在应用.     

基于石墨烯光力系统的非线性光学效应及非线性光学质量传感

研究了由泵浦光和探测光同时驱动的石墨烯光力系统中的非线性光学现象,如光学双稳态和四波混频现象.通过控制泵浦光功率强度和失谐能有效操控光学双稳态.对石墨烯光力系统中的四波混频研究发现四波混频谱中尖峰的位置正对应石墨烯振子频率的数值,因此给出一种测量石墨烯振子频率的非线性光学方法.此外,基于对石墨烯光力系统中四波混频的研究进一步理论提出一种非线性光学质量传感方案.通过探测四波混频谱中由于纳米颗粒质量引起的机械共振频移可直接测出沉积在石墨烯振子面上的纳米颗粒的质量.该非线性光学质量传感方案将对探测噪声免疫,并且将在高精度及高分辨率质量传感器件方面有着潜在应用.     

金属纳米颗粒与腔光力学系统耦合所引起的光学特性研究

本文提出了一个由高品质光学腔,机械振子和金属纳米颗粒组成的腔光力学系统。一束强的泵浦光和一束弱的探测光同时作用于该系统。数值分析结果表明:在泵浦光的驱动条件下,系统对探测光的透射谱上会出现光力学诱导透明现象。该透明窗口的宽度由金属纳米颗粒和光腔之间的耦合强度决定。随着金属纳米颗粒和光腔之间的耦合强度的增强,该透明窗口会变窄,探测光的群延迟时间也会增大。我们分析了这些光学性质的变化原因,并给出了物理解释。     

一种广义三模腔光机械系统的相干完美吸收与透射

提出了一种广义的三模式腔光机械系统,系统的中间是一个反射率为100%的可移动的全反射机械振子,两侧均由一个部分透射的固定光学腔镜构成.其中两个光学腔由一束较强的控制场和一束较弱的信号场驱动与同一个机械振子实现耦合.较弱的信号场将会被该系统完全吸收而不产生任何能量输出,并且当相干完美吸收产生时,输入信号场的能量将由两个腔场和机械模共同分担;较弱的输入信号场由一个腔完美透视到另一个腔而不产生任何的能量损耗.分析与数值结果显示,在不同参数机制下,在该三模光机械系统中可以实现相干完美吸收、相干完美透射和相干完美合成的量子现象.此外,改变腔与腔之间的耦合度,可以实现输出探测场在相干完美吸收和相干完美透射之间转换;通过简单的相位调制,可以实现探测场左腔-右腔的输出和输入方向的互换.这些动态控制在量子信息网络可用来构造光子开关、光子路由、光子交换机等一些特殊功能的光子学器件.     

混合原子光机械系统中的量子相干控制

研究了原子相干及量子相干对混合原子光机械系统输出特性的影响。应用微扰方法及光腔的输入输出理论求解Langevin方程,得到了混合原子光机械系统对弱探测场的响应函数。分析了腔模与原子系统的耦合强度、量子干涉效应对混合原子光机械系统输出特性的影响。研究发现,控制原子系统的量子干涉效应,即可控制混合原子光机械系统的输出特性;改变原子系统的控制场强度,便可改变混合原子光机械系统的透明窗口宽度,从而得到由原子吸收谱调制的光机械系统的吸收谱;在光机械系统透明窗口中心区域可实现探测场的放大;改变原子系统中控制场或耦合场的失谐量,可以控制混合原子光机械系统的透明窗口位置。     

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.     

微腔中单量子点的激光输出特性研究

研究一个四能级量子点耦合到单模光学腔中的量子系统,利用系统的主方程作数值模拟计算微腔中单量子点的激光输出强度随非相干泵浦的变化关系.结果显示量子点在泵浦作用下激光的输出有一个阈值;且量子点和腔模耦合强度增强时,产生激光的阈值明显减小,输出激光的峰值却增大.当泵浦作用继续增强到一定程度,因激光能级间的相干性被过强的非相干泵浦所破坏,单量子点激光输出变为零----出现了淬灭现象.     

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.     

Au纳米颗粒和CdTe量子点复合体系发光增强和猝灭效应

利用金属蒸发真空多弧离子源注入机, 将Au离子注入到高纯石英玻璃来制备镶嵌有Au 纳米颗粒的衬底材料, 随后将化学方法合成的CdTe量子点旋涂在玻璃衬底上制备了Au纳米颗粒和CdTe量子点复合体系. 通过对镶嵌有Au纳米颗粒的衬底进行热退火处理来控制Au纳米颗粒的生长和分布, 系统研究了Au纳米颗粒的局域表面等离子体共振对CdTe量子点光致发光性能的影响. 利用光学吸收谱、原子力显微镜、透射电子显微镜和光致发光谱对样品进行了表征和测试. 光致发光谱表明, Au纳米颗粒的局域表面等离子体对CdTe量子点的发光有增强效应也有猝灭效应. 深入分析了Au纳米颗粒和CdTe量子点之间的相互作用过程, 提出了关于Au-CdTe 纳米复合体系中CdTe 发光增强和猝灭的新机理. 该实验结果为利用金属纳米颗粒表面等离子体技术制备高发光性能的光电子器件提供了较好的参考.     

三模腔-原子闭环系统中可控的量子干涉和光子传输

通过构造一个由相互垂直的两腔和一个二能级原子组成的光学腔-原子系统,研究可控的量子干涉引起的非传统光子传输现象.该系统中,两个正交腔之间通过光纤直接耦合和通过放在两腔交叉处的二能级原子间接耦合.该三模系统支持两个相互垂直的传播方向,即两探测场相互垂直.在考虑原子弛豫速率的情况下,该闭环系统中的光场、腔模与原子跃迁间相互作用所产生的可控量子干涉能导致一些新的对称或非对称的光子输运行为,如相干完美合成、相干完美透明.此外,输运的群速度也可调节,即产生快慢光效应.这些过程能够通过调节探测场间相对相位、两腔之间的隧穿耦合强度进行动态调控.该机制有望用于开发高效的量子信息处理和全光网络的功能元器件(如光开关和路由器等).     

微波驱动下超导量子比特与磁振子的相干耦合

实验上展示了钇铁石榴石(YIG)晶体小球中磁振子与超导量子比特的驱动缀饰态之间的相干强耦合,磁振子的加入使得在超导量子比特中形成了双重缀饰态.实验中一个钇铁石榴石晶体小球与一个超导量子比特同时放置在三维谐振腔中,分别通过磁偶极相互作用和电偶极相互作用与谐振腔中的本征场(TE102模式)耦合,并通过腔模作为媒介实现两者之间的有效相干强耦合.给超导量子比特施加一个共振的微波驱动并改变驱动强度,测得耦合系统能级劈裂随驱动强度的变化,并理论上利用粒子-空穴对与玻色场耦合的模型做了计算.在大部分的驱动强度范围内实验结果都与理论计算结果符合得较好,表明驱动下的比特-磁振子耦合系统可以用来模拟粒子-空穴对称对与玻色场的耦合系统.本文使用的混合量子系统为模拟玻色子与费米子的混合系统提供了一个新途径.     

非对称耦合量子阱的吸收非线性增强

基于V 形三能级模型运用密度矩阵方程推导了非对称耦合量子阱三阶光学非线性极化率. 具体分析了三阶吸收非线性效率（三阶光学非线性极化率与线性吸收系数之比）随阱间电子相干振荡频率的变化规律. 理论结果表明：三阶吸收非线性效率对阱间电子相干振荡频率相当敏感，当阱间电子相干振荡频率增大时三阶吸收非线性效率显著增强，而当阱间电子相干振荡频率为零时，这种非线性效率类似于单量子阱情况. 与单量子阱相比，对于已设计好的非对称耦合量子阱结构其突出特征表现在，其非线性吸收与色散特性可经由沿材料生长方向偏压进行控制. 据此，我们预期利用这种非对称耦合量子阱结构能设计成光通信中的光限幅器和可控克尔光开关.     

倒Y型四能级原子系统中电磁诱导透明的相干控制

研究了倒Y型四能级原子系统中相干控制电磁诱导透明.应用微扰理论给出一阶近似条件下,不同控制场原子系统对探测光场响应的解析式及电磁诱导透明窗宽度的解析式.在探测场为弱场时,分析了系统中控制光场强度、耦合光场强度及其失谐量对电磁诱导透明窗的影响.研究发现电磁诱导透明窗随控制光场强度的增强变宽,而随耦合光场强度的增强变窄,当探测光场与耦合光场偏离双光子共振时,透明窗外的吸收增加,透明窗变宽.在弱探测场、弱控制场条件下,分析了初始时刻原子处在相干叠加态时的相对相位、相对强度与探测场和控制场的相对相位等对系统吸收特性及透明窗的影响.结果表明探测场与控制场的相对相位对吸收的影响与相干叠加态中两能级之间几率幅的相对相位对吸收的影响作用相反,系统在两下能级干涉极大时,存在一个很宽的透明带.应用缀饰态理论和量子相干理论对所得结果进行了解释.     

光学-射频双光子耦合作用下的电磁诱导透明和电磁诱导吸收

在通常的Λ型三能级系统中,光学耦合场和探测场分别激发两个不同的光学跃迁,探测吸收谱呈现电磁诱导透明(EIT)特性.若将此系统拓展为光学-射频双光子耦合场和探测场共同作用下的准Λ型四能级系统,探测吸收谱呈现电磁诱导吸收(EIA)和EIT两种特性.通过求解系统的密度矩阵方程,分析了EIA和EIT的产生条件,并给出了相应的缀饰态解释.研究结果表明,在准Λ型四能级系统中,光学耦合场对EIA和EIT的形成起决定作用,共振时出现EIA,非共振时出现EIT,而且EIA和EIT的线宽随着光学耦合场拉比频率的增大而增加. 关键词： 电磁诱导透明 电磁诱导吸收 射频场 光学耦合场     

原子辅助光力系统中快慢光的量子调控

随着纳米科技以及半导体技术的迅猛发展,光力诱导透明、快慢光和光存储以及其他在光力系统中发现的量子光学和非线性光学效应成为人们目前研究的热点.本文将薄膜腔光力系统同被束缚在腔中的二能级冷原子系综相耦合,通过直接在薄膜振子上引入弱辅助驱动场来研究该原子辅助光力系统中原子和相位对量子相干性质及其快慢光的调控.经过分析发现,通过改变辅助驱动场的强度可直接实现对光力诱导透明窗口深度的调控,通过改变辅助场与探测场之间的相位差,可实现输出的探测场在"吸收"、"透明"和"增益"之间相互转换,进而对弱探测场进行动态调控实现光开关.与此同时,还发现系统的群延迟时间随相位差的改变呈周期性变化.通过调节相位差及原子数,不但可以改变群延迟时间,还可实现快慢光之间的相互转换.