关键词： X射线衍射   摇摆曲线   三轴二维倒空间Mapping   量子级联激光器   Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体  

摘要： 本论文主要针对Ⅲ—Ⅴ族量子级联激光器的实验材料,进行了XRD以及PL谱的分析。目的是得到材料的精确的厚度以及组分,与我们所预期的结构进行对比,进而指导材料的生长,为得到结构更好的材料,性能更好的器件提供帮助。 本论文主要得到了以下研究成果: 1.利用高分辨率的X’pert多晶衍射仪,测量了以InP为衬底的单层InGaAs和InAlAs材料的三轴二维倒空间Mapping,研究得到了单层材料的错向角以及垂直衬底方向的失配度。并且,利用X射线摇摆曲线,得到了单层材料的精确的体失配度以及材料的组分。 2.测量了以InP为衬底的InGaAs/InAlAs超晶格材料的三轴二维倒空间Mapping,研究得到了超晶格材料的垂直衬底方向的平均失配度。并且,得到了超晶格材料的周期厚度。利用单层材料的相应的信息,研究得到了超晶格中各层材料的厚度。经过X射线模拟软件的验证,模拟得到的超晶格材料的厚度和组分等信息和预期所生长的材料吻合的很好。 3.利用Nicolet 860 FTIR傅里叶红外光谱仪测量了与InP衬底近似匹配的InGaAs材料的PL谱线。测量了在相同功率下,不同温度的几组曲线,通过研究分析,得到了各个谱线的对应的波数以及能量。跟据禁带宽度,温度以及材料组分的关系,可以计算得到材料的组分。进而与X射线得到的结果进行对比,作为一种辅助的分析方法,验证我们所长的材料是否符合我们的预期。

关键词： 量子波导   传递矩阵   二维石墨  

摘要： 本论文讨论了电子在量子波导中的电输运性质,通过理论计算我们得到如下结论: 我们将以最简单的界面突变型量子波导为例,在几率流守恒和时间反演对称性基础之上,做一定的推导使我们能够将传递矩阵方法和L B公式结合起来,并说明如何从传递矩阵得到散射矩阵,从而给出了量子波导中量子输运问题的整体理论解决方案。 应用我们推导传递矩阵的方法研究了含有磁性障碍物的量子波的电输运性质,在低能区发现了自旋过滤窗的现象存在,再此基础上我们讨论了障碍物的尺寸、位置和势场强度对于自旋过滤的影响。 对于含两个磁性障碍物的情况,我们分析了上下自旋电子共振峰类型不同的原因,并通过计算讨论了两磁性障碍物势场强度、宽度、相对位置和障碍物的长度对于线性电导的影响,尤其是对电导谱中共振峰的影响. 我们讨论了多个磁性障碍物的情况,关注磁性障碍物的数量变化对量子波导的输运性质的影响,发现对于这种情况下的量子波导从量子点的角度可以得到很好的解释,并从电导谱中发现通过调节入射电子的能量,我们可以很好的实现自旋控制。 最后,我们研究了型石墨条带的电输运性质,分析了该结构一端的宽度变化对于电导的影响,主要分析了石墨条带能带结构对于电导的影响。

关键词： Solid state physics.   Rare earth ions.   Thulium  

摘要： Rare-earth-doped crystals have been used for optical signal processing and storage applications. In this dissertation, their potential for quantum computing applications is explored. In one quantum computing scheme, information is stored in nuclear spin states and this information is then processed by using optical pulses through the coupling of these nuclear spin states to a common electronic level. To implement this scheme, nuclear spin states and coupling of these nuclear spin states to a common electronic level is required. Preliminary work in rare-earth materials like Pr3+ and Eu 3+ has shown promising results regarding their suitability for quantum computing applications. One particular problem with these materials is that their transition wavelengths are only accessible with dye lasers. These lasers are inherently unstable, and currently few available systems exhibit the stability required for quantum computing applications. An alternative choice was to investigate other rare-earth ions like thulium. Thulium has a transition wavelength that can be accessed with diode lasers, which are commercially available, easy to stabilize, and compact. This dissertation is based on our investigations of Tm3+:YAG for quantum computing applications. Investigations involved a detailed characterization of the material. Nuclear spin states, in Tm3+:YAG, were obtained by applying an external magnetic field to the sample. First, interaction of an external magnetic field with the thulium ions at various sites in the crystal was analyzed. This analysis was used to measure the magnetic anisotropy in the material. These results show that it is possible, with the suitable choice of the magnetic orientation and the site in the crystal, to build a working 3-level quantum system. In the demonstration of single qubit operations in Tm3+:YAG, we first theoretically studied the effect of Gaussian spatial beam on the single qubit operations. Later on, we experimentally prepared a single isol

关键词： 半导体异质结量子点   非平衡格林函数   电子—声子相互作用   声子旁带峰  

摘要： 量子点、量子线(又称纳米线)等介观系统中的电子输运一直是人们关心的问题,它不仅是一个重要的基础物理问题,而且有着潜在的高技术应用背景,因量子点、量子线等介观体系是今后纳米量子电路的重要物理器件,作为展现低维介观体系量子效应的典型代表,量子点结构成为近年来的研究热点.本文在有效质量自由电子模型基础上,采用Keldysh非平衡格林函数方法,研究电子—声子相互作用下半导体异质结量子点的电子输运性质,得到了一些有意义的新结果。 全文共分为五章。第一章简要介绍了量子点的研究历史与现状。量子点结构所独有的库仑阻塞、单电子隧穿等电子输运特性为设计和制造纳米量子器件开辟了新的发展方向,而有关电子—声子相互作用下量子点的研究则主要集中在理论工作阶段。第二章从能带理论角度描述了半导体异质结的形成以及量子阱、量子线、量子点的制备和用途等;同时介绍了这几种低维体系的介观物理现象。第三章介绍了非平衡格林函数方法及其在介观输运中的应用,推导了广泛应用的运动方程以及电流公式。 第四章的内容主要是我们自己的工作。系统地介绍了声子及电子—声子相互作用的相关知识。利用非平衡格林函数方法,研究了电子—声子相互作用下量子点的电子输运性质。与无声子作用时系统电导所呈现的单共振峰相比,声子的作用引起了系统电导呈现出有趣的旁带峰(“卫星峰”),这就是所谓的声子辅助隧穿。随着电子—声子耦合强度的增加,出现了更多的伴峰,而主峰的高度下降;随着温度的升高,伴峰将变得更为尖锐,主峰的高度仍然下降。文中对这些现象形成的物理机制进行了详细具体地分析。 第五章我们对本文的工作进行总结和归纳,并对这一研究领域的发展前景作了简要的展望。

关键词： 量子点材料   多体效应   绝缘带   双量子点   电子输运性质   耦合量子点  

摘要： 本文采用非平衡态格林函数方法,对几种典型的耦合量子点结构的输运性质进行了较系统的理论研究,并得到了一些有意义的结果。本论文工作的基本物理思想如下:量子相干是主导介观电子输运性质的基本物理机制,而耦合量子点体系为电子隧穿提供了丰富的相干路径(即所谓的Feynman路径),研究耦合量子点体系的电子输运特性,必须揭示量子相干图像,这是贯穿于本论文工作始终的一条主线。本论文工作开展了如下理论研究。 首先,我们系统地研究了平行耦合双量子点结构的线性电导谱中的Fano效应。通过建立起该体系线性电导表达式的一个标准的Fano形式,我们详细讨论了各种双量子点结构中Fano反共振出现的条件,以及外场对电导谱中Fano线型的调节。进而,我们利用Feynman路径的语言展示出参与Fano干涉的所有的电子隧穿路径,从中发现在一般情况下,Fano干涉来源于电子经过无限阶Feynman路径的贡献之和。通过调节磁场或者门压,可以实现仅有两个最低路径之间发生干涉的特殊情况,此时,我们才能认为:Fano共振来源于两个电子隧穿路径的量子干涉,其中一个是共振路径而另一个是非共振路径;反之,在无磁场情况下,高阶路径对电导谱中Fano线型的贡献仍很重要,不能轻易忽略掉。 其次,在量子点结构的电子输运过程中,退相干机制也广泛存在并影响电子输运,因此这也是值得讨论的课题。我们以如上提到的平行双量子点结构为模型,考察电-声子相互作用这一典型退相干机制对线性电导谱中的Fano线型的影响。我们分别考虑局域和非局域两种声子和电子的相互作用,推导出电-声子相互作用下线性电导的解析表达式。结果发现,在零温零偏压的条件下非弹性电导为零。虽然这两种声子均存在于量子点结构中,但是它们对Fano干涉的影响却完全不同:对于非局域声子的情况,由于电-声子散射能够为电子的点间隧穿提供新的路径,有多个Fano峰出现在电导谱中;相反,局域声子和电子的散射基本上只能带来Fano线型的平移,不能破坏Fano线型。有限温度时,尽管存在复杂的非弹性散射,非局域声子的退相干效果也更强。 再次,我们以T-型耦合双量子点结构为理论模型,着重研究Rashba自旋-轨道耦合对该结构电子输运过程中的Fano干涉的影响。通过将电子Hamiltonian二次量子化,可以发现Rashba相互作用引起两量子点间的自旋反转耦合,这使得量子点中不同自旋的电子态发生杂化。同时,量子点的本征能级以及这些能级和电极之间的耦合都受到Rashba自旋-轨道耦合的影响。这些结构参数的变化导致了线性电导谱中Fano线型的如下改变:反共振点移动,两Fano峰间距离增加,以及两Fano峰的形状趋于一致。通过分析其中的量子相干,我们解释了以上得到的数值结果,而且在考虑电子间相互作用的情况下,Rashba自旋-轨道耦合对Fano线型的影响仍然可以看到。 然后,我们将多个T-型双量子点串联在一起形成侧向耦合双量子点链,详细考察该结构中的电子输运性质。结果发现,在计算的电导谱中展现出一个清晰的绝缘带。形成这样一个绝缘带不需要很长的量子点链,当N=4时绝缘带已经形成并且固定下来,并且它的带宽和无限长双量子点链的成键及反键带的带边一致。形成该绝缘带的物理原因是由于悬挂量子点的存在而出现的反共振效应。另外,我们讨论了多体效应对绝缘带形成的影响,并得到这样的结论,多体效应不能明显影响绝缘带的形状。基于这样一个性质,我们可以考虑该结构的器件应用价值,即它可以作为一个自旋过滤器模型。原因在于,陡峭带边的存在将导致当电子通过该结构时有自旋极化窗出现。此外,我们也发现强库仑相互作用能够使自旋极化窗变大,所以选择小量子点更有利于实现自旋极化。 最后,我们考虑更复杂的耦合量子点结构,以三电极三量子点环为例,从理论上考察任一两电极间的电子输运性质。通过在任意一个量子点附近引入局域Rashba型自旋-轨道耦合,我们发现在该体系中从一端点入射的电子可以根据其自旋取向离开量子点环,并到达一特定的端点,相应地,利用该结构我们能够同时实现自旋极化和自旋分离这两种结果。另外,如果调节体系中的偏压分布,我们可以在本结构中得到可调节的电流和自旋流。更有意义的是,在特定条件下,在某一电极中会有纯自旋流出现,并且自旋极化方向可由偏压的调节改变。因此,它可以作为一个操控电子自旋的器件模型。借助Feynman路径语言,我们揭示了该机构中的量子干涉,从而解释了如上得到的数值结果。

关键词： 半导体微结构   自旋极化   自旋劈裂  

摘要： 半导体介观体系中的自旋极化输运的研究是当前凝聚态物理的重要课题。本文针对具有重要理论意义和应用前景的半导体介观结构中的自旋极化输运机理开展研究,获得了一些有意义的成果: 研究磁垒量子结构中,磁场强度和偏压大小对电子自旋极化输运的影响。结果表明:零偏压下,电子在反平行等强磁垒结构中输运不会产生自旋极化;电子传输的阈值能量随磁场强度或偏置电压的增大而增大;在一定的磁场强度和偏压大小下,比较由半导体InAs和GaAs两类材料构成的量子结构中电子输运自旋极化度,发现它们的电子输运自旋极化度都随入射能量的增大而呈振荡衰减趋势,朗德有效因子高的InAs材料比GaAs的自旋极化度高出一个数量级。 基于有效质量理论研究Rashba自旋轨道耦合及对二维电子气磁输运的影响。Rashba效应的强度取某个临界值时,由于特殊的朗道能级结构,电流的自旋极化度被共振增强。我们的理论结果表明,利用特殊的能带/能级结构可以在弱自旋极化体系中产生强自旋极化电流。基于8带有效质量模型研究量子阱中电场导致的Rashba自旋劈裂。通过改进的理论推导,得到Rashba劈裂的解析表达式。表明Rashba劈裂是波矢的非线性函数,我们提出一个双参数的非线性Rashba模型,说明了Rashba劈裂具有一定程度的非线性与广泛使用的解析模型(即线性Rashba模型,它将Rashba劈裂作为波矢的线性函数)不一致的问题。

关键词： 量子理论   晶体材料   中科院物理所   普适性   磁性  

摘要： 中科院物理所施均仁与美国美国密苏里大学的***及德州大学奥斯丁分校牛谦小组合作,提出了计算晶体材料轨道磁化强度的普适量子理论。一方面,

关键词： 量子点   荧光标记   量子限域效应  

摘要： 量子点作为一种最新型的荧光材料,与传统的有机染料分子相比具有多种优势,其中最大的优点是颜色可调。单一种类的量子点材料就能够根据其尺寸变化产生不同颜色的单色光,甚至白光,这是染料分子根本无法实现的。此外,它还具有激发光谱宽、发射光谱窄且对称、稳定性高等特点。因此,短短的几年里,量子点材料已经在生物化学、细胞生物学、生物标记等领域的研究中显示了它的巨大发展潜力。其中,具有红外透明、荧光、磷光等特性的ZnS量子点在光电传感器、平面显示器和荧光标记等方面的应用一直受到广大研究者的关注,因此制备出具有量子限域效应、窄粒度分布、合适的表面形貌的ZnS量子点具有重大意义。 本论文在以下几个方面开展了研究:（1）采用醋酸锌、硫代乙酰胺、冰醋酸和乙醇作为原料制备了平均粒径为3nm左右的ZnS量子点,并且讨论了反应温度、反应时间、前驱体的pH值和反应物浓度对ZnS量子点粒径和发光强度的影响,从而确定了ZnS量子点的最佳制备条件。通过透射电子显微镜,X射线衍射和紫外光谱表征了ZnS量子点的尺寸、晶体结构和发光特性,结果表明:产物的晶体结构好,粒径均匀,荧光性质优良。这种制备方法价格低廉,操作安全,简便,重复性好,不需要苛刻的设备条件。（2）对ZnS量子点进行Mg2+和Ba2+掺杂,结果表明:Mg2+掺杂的ZnS量子点在短波光电器件材料方面具有应用潜力;而Ba2+的掺杂则减弱了ZnS量子点的发光强度。（3）采用溶胶—凝胶法成功制备出具有核/壳结构的ZnSe/ZnS量子点,通过荧光光谱分析来研究该量子点的发光性质时,发现ZnSe/ZnS量子点的发光强度没有比ZnSe量子点的高。对样品进行退火处理后发现:ZnSe/ZnS量子点的发光强度有所提高但仍低于ZnSe量子点。（4）对ZnS量子点进行生物毒性实验和标记实验后,表明:量子点可以在生物体系中作为荧光标记物,但是,它在活体内的惰性以及对活体的长期毒性还有待解决。

关键词： 分子电子学   量子输运   非平衡态格林函数   密度泛函理论   自洽计算   Gaussian   有机晶体管   门电压效应  

摘要： 本论文主要讲述了处理非平衡态开放体系量子输运问题的第一性原理非平衡态格林函数方法,并介绍了在此理论基础上对有机晶体管电流门电压效应的研究结果。概括说来,本论文可以分为两大部分,即第一部分理论框架的建立和第二部分计算结果的讨论。 第一部分理论框架的建立 在该部分中,我们首先简单介绍了分子电子学的发展背景和前景。由于硅半导体器件发展上尺度的局限性,以及相应出现的种种量子效应问题,有机分子器件凭借其纳米尺度、高功能性和低成本等潜在优势,自然而然成为了下一代信息处理器件的首选。关于分子电子器件的量子输运原理是在本部分第二章中给出了详细的介绍,我们在分子输运的Landauer图景基础上,给出了有机分子器件的量子输运微观机制。第三章介绍了处理量子输运问题的非平衡态格林函数方法。在本章中我们利用非平衡态格林函数推导了稳态相干输运的电流及透射率公式；另外,考虑到分子与导线只在导线表面层内有耦合,因此左右导线的表面格林函数的获得也在本章中给出了简单介绍。第四章则具体介绍了第一性原理自洽计算的实现。要处理非平衡态开放体系的量子输运问题,我们需将密度泛函理论和非平衡态格林函数方法结合在一起,这一工作的实现是将量子化学软件Gaussian03的部分源程序加以修改,使其可以用非平衡格林函数求解开放体系的密度矩阵,并完成自洽迭代计算,具体内容及自洽循环的迭代步骤在文章中给出。 第二部分计算结果的讨论 在本部分,即第五章中我们给出了关于有机晶体管电流门电压效应的计算结果并从态密度出发对其进行了理论分析。计算中分子的选取是以化学上易于合成的芘和4H,11bH-双苯[cd,mn]芘分子为基础,对分子上部分C原子和H原子做相应取代而得到。我们的研究结果表明：N原子和F原子的掺杂可以提高电流并改善其门电压效应；分子相对于S-Au键的不对称性也可以加强门电压效应,反之门电压对电流的调控作用则会被削弱。另外,在我们的计算中部分有机分子表现出了对数曲线形式的I-V特性,这表明有机晶体管也可能具有和经典场效应管类似的输运特性。在一定意义上,我们的计算结果给实验工作者提出了可行性建议。

关键词： 连续变量   纠缠   压缩   GHZ四组分纠缠态   Cluster四组分纠缠态   非线性耦合器   量子反馈   量子点   相位控制   电子输运   自旋极化输运  

摘要： 近年来有关连续变量纠缠态的制备及其在量子信息处理中的应用是量子光学和量子信息科学的前沿研究领域。这不仅是因为对于连续变量纠缠性质的研究可以用于验证量子力学的基本原理，而且还由于连续变量纠缠态是量子信息处理的基本资源。并且，由于体系与周围环境的相互作用而导致的退相干的影响，使得所制备的纠缠态很脆弱而难以保存。因此制备抗环境干扰能力强、稳定的、高纠缠度的纠缠光也是我们研究的内容之一。另一方面，随着微纳米加工技术的发展，人们可以制备出量子点这样具有类似原子特征的“人造原子”，并且由于量子点具有可操控性，研究外加光场对量子点体系输运性质的影响受到人们的广泛关注，本文后面一部分工作研究了利用相干场的相对相位来控制两耦合量子点的输运性质，并且还研究了利用偏振光来导致二能级量子点在的顺序隧穿区域自旋极化输运。 首先，我们研究了如何利用单模腔场中的四个原子系综来制备连续变量纠缠态。我们发现通过适当选择激光脉冲的相位和振幅，并借助于腔场耗散的作用，四个原子系综可确定性地演化到类Cluster四组分纠缠态和连续变量类GHZ四组分纠缠态。接下来，我们讨论了利用基于零拍测量的量子反馈来提高非线性耦合器中的纠缠。我们引入两个反馈回路来改变驱动场的强度从而控制算符X1θ+X2θ以及算符Y1θ-Y2θ的涨落，这里算符Xjθ和Yjθ（i=1，2）是光场方位角为θ的两振幅算符。我们根据Wismen的马尔可夫反馈理论得到了引入反馈后系统的主方程，并且解析求解了反馈主方程。研究发现反馈能够有效的提高非线性耦合器腔内的纠缠、双模压缩及纯度，并且还发现引入反馈的方位角对反馈能否提高纠缠起到决定性的作用。当引入反馈的方位角为θ=0时，引入反馈不能够提高系统的纠缠。当引入反馈的方位角为θ=0．25π时，反馈能最大程度的提高纠缠。 另一方面，我们还研究了用相干场的相对相位来控制一个耦合量子点系统的输运性质。当右边电极的化学势在右边量子点能级间时，我们讨论了在两量子点基态能量差Δ不同的条件下，两激光场的相对相位对输运电流的控制。我们发现电流谱展现双峰结构，并且峰的位置和大小可以由激光场的相对相位θ1和θ2来控制。我们还发现电流的峰值能被大致调到零，这是因为由于两条跃迁路径之间的完全相消干涉而使电子被捕获在左边量子点的基态上，这效应可以用相位θ1和θ2来控制，因此，我们可以利用这个效应来做光学控制的电流开关。当右边电极的化学势比右边量子点基态能级低时，我们发现电子能够被捕获到暗态上，即两个量子点基态的叠加态上，此时电流为零。最后，我们研究了一种由偏振光驱动的二能级量子点在顺序隧穿区域的自旋极化输运性质。这个器件的优点是不需要外加磁场和铁磁注入，而仅仅通过调节光的偏振来控制体系的自旋输运性质。这个器件工作在特定的能级和化学势位置，即注入端的化学势介于量子点二能级之间，输出端位于二能级之下。在这个条件下，自旋相关的散粒噪音可由光场非单调的调制并且展现出亚泊松分布。