2017物理与电子工程学院科研进展—物理学
2018-05-18 07:18   审核人:

1、量子点的形状对非线性光学性质的影响简介

李克银、郭康贤等

非线性光学效应是指强相干光与物质(如半导体)的相互作用过程中出现的一些非线性光学现象。这些效应有别于线性光学中出现的效应,如反射、折射、散射、双折射等。线性光学效应的特点是:出射光强与入射光强成正比;不同频率的光波之间没有相互作用,包括不能交换能量;效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。而非线性光学效应中的出射光强不与入射光强成正比(例如成平方或三次方关系);不同频率光波之间存在相互作用,包括可以交换能量;效应来源于介质中与作用光场不成正比例(如成平方或三次方关系)的非线性极化。量子点是直径在2-100nm之间的半导体纳米晶体,量子点根据其制备的方法不同可以制备成不同的形状,如圆柱形状和球形等。在过去的十几年里,量子点的非线性光学性质因其在多方面应用的关联性引起了人们相当大的兴趣。新的光学性质的产生有助于制造新型光学仪器,如远红外激光放大器,光检测器,高速电子光学调制器等。在目前的工作中,我们研究了椭圆形和三角形量子点由于形状特征变化(如图一和图二)而对二阶和三阶非线性光学性质的影响,如三次谐波系数和在电场干扰下的二次谐波系数和光整流系数。主要研究成果如下:

一、在有效质量的近似情况下,通过微扰论推导出系统所研究的量子点在不同情况下(椭圆形量子点以及三角形量子点)的波函数和能级。

二、利用微扰论所计算的波函数,通过密度矩阵法以及对角化法,分析了椭圆形量子点以及三角形量子点的一些光学性质,并得出以下的结论:

1.在椭圆形量子点情况下,形状特征参数影响着光学吸收系数,随着量子点慢慢趋向针型,三次谐波系数有所增大,并出现红移现象,如图三。

2.与椭圆形量子点不同,随着量子点形状特征参数改变使其慢慢趋向三叉型的过程中,三角形量子点的三次谐波系数逐渐减小。但也同时出现和椭圆形量子点相同的红移现象,如图四。

3.在电场的干扰下,三角形量子点出现二阶非线性光学效应的光整流现象。随着量子点形状特征参数改变使其慢慢趋向三叉型的过程中,三角形量子点的二次谐波系数逐渐减小,而光整流系数却逐渐增大,但都出现红移现象,如图

本文的研究目的是为更加复杂形状量子点的非线性光学性质提供借鉴,以便帮助调制和优化量子光学仪器。

                   

1                                   2

                   

3                                        4

       

5                              

 

Effect of the shape of quantum dots on the third-harmonic generations,Superlattices Microstruct.2017

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749603616315646

 

 

2、一维波导系统中单光子调控的研究

 

 李文安等

 

光子是一种能表示量子比特的实际物理系统。由于光子是中性粒子,彼此之间没有直接的耦合,与大多数其他物质也没有强的相互作用。它们在空间和介质中可以高速、长距离、低损耗地传输,可靠地实现量子信息处理。在量子信息处理中,单光子的操控尤为重要。由于传统非线性光学中使用的Kerr介质是一种非线性材料,退相干效应很强,所以很难满足对单光子实现调控的要求。人们在研究中发现,被隔离得很好的单原子可以提供光子之间的交叉调制。目前,人们从理论上和实验上对一维波导系统中单光子的量子调控展开了研究,发现了一些有意义的现象。这也促使人们对不同条件下一维系统中单光子的调控展开进一步的深入研究。

我院青年教师李文安博士指导学生开展了在一维波导系统中单光子调控的研究。在前人工作的基础上,创新地提出把两个纳米腔耦合到波导中同一个共振器上,每个纳米腔中放置一个原子(或量子点,人工原子等)。利用离散坐标法,精确计算出单光子在该系统中传输的透射系数和反射系数,得到完全反射点和透射点。通过系统参数的调节,可以调节反射点和透射点的位置,而且从光子的透射谱可以读出系统的信息,例如原子与纳米腔的耦合强度。文章还讨论了两个纳米腔之间存在耦合和不耦合两种情况。通过数值模拟,展现出耦合常数对光子输运的影响。

该研究通过设计新的波导结构实现单光子的可控传输,增加了调控的范围,可以作为单光子的频率筛选器,为光子器件的制作提供一种理论参考,在量子信息处理具有潜在的应用前景。

Journal of the Optical Society of America B,Vol. 34,Issue 1, pp. 82-87(2017)

文章链接:https://doi.org/10.1364/JOSAB.34.000082

       

1:一维波导与AB两个纳米腔耦合模型。每个纳米腔里放置一个原子。

       

2:不同参数对光子透射谱的影响。

       

3:一维波导与两个耦合的纳米腔相互作用的模型。

       

4:两个纳米腔之间的耦合强度J对光子透射谱的影响。


 

3、多腔体系中简单高效实现多比特量子相位门

 

李文安等

 

量子信息科学是近年来最热门的研究领域之一,是量子技术与信息学相结合的交叉学科。该领域中一个重要的研究方向是对多个量子比特进行各种逻辑门的操作。在这些逻辑门操作中,多比特相位门尤为重要,广泛应用于量子算法、量子傅立叶变换以及量子纠错等。近年来,人们在不同的物理系统中(如NMR,离子阱,电路QED等)提出了很多实现相位门的理论方案。但是在实验上却很难实现三个量子比特以上的相位门。

我院青年教师李文安博士与合作者提出在多腔体系中简单高效实现多比特量子相位门的方案。该方案选择了低损耗且易于集成化的超导电路量子系统。量子信息记录在fluxonium 比特最低的4个能级上,每个比特通过电容与谐振器进行耦合。通过运用量子Zeno动力学,高效实现多比特相位门。与前人方案相比,操作更简洁,无需对每个比特进行单独寻址,整个过程只需对一个比特进行操作,因此大大地减少实验的难度。更重要的是运行的时间降低到了纳秒级别,能更快速的完成门操作。方案很容易推广到更多比特的情况。通过数值模拟,该方案具有很高的保真度,即使在实验参数偏离理论值10%的情况下保真度依然高达96%

该研究通过巧妙的设计实现了多比特量子相位门的操作,使得原本复杂的方案得以简化,为实验工作者提供一种新的理论方案,为量子信息处理提供一种新的思路。

 

Journal of the Optical Society of America B,Vol. 34,Issue 7,pp. 1560-1566(2017)

文章链接:https://doi.org/10.1364/JOSAB.34.001560

         

 

1 a)相位门的装置图。量子比特q1,q2,qA分别通过电容与谐振器(r1r2)耦合在一起。C1C2为电容器。(b)量子比特的能级图。

                   

 

2. 三比特相位门的保真度在不同参数下的变化。(a)非共振;(b)共振。

  

4、CdS量子点中的激子拉曼散射

 

郭晓彤、刘翠红

 

随着半导体制作工艺水平的不断提高,半导体材料的线度缩小到纳米尺寸。纳米半导体材料呈现出人工可控的优异光电性质,因而在新型半导体器件得到广泛的应用,并带来了一系列产业的改革。拉曼光谱技术是研究低维半导体系统能带结构的有效途径。光谱的信息量大,它具有对样品无接触,无损伤,快速分析,鉴别各种材料的特性与结构等优点。1992年,Renishaw联合利兹大学首先发明了世界上第一台新型显微共焦拉曼系统,随后拉曼光谱技术迅速发展。

激子是半导体中的一种基本的元激发,与传统的半导体材料相比,低维半导体结构中激子的束缚能要大得多,激子效应明显增强。但目前低维半导体系统激子拉曼散射的研究还很少本文从理论上研究了CdS抛物量子点激子拉曼散射,在T=0K的条件下,采用有效质量近似法,推导了激子参与的斯托克拉曼散射截面,并进行了数值计算分析。得出如下结论:激子效应引起了拉曼光谱的蓝移,蓝移的大小取决于量子束缚效应、库仑相互作用的大小、入射光强。随着量子束缚效应的增强,导致CdS量子点的能级结构发生变化,但随着入射激光光强的增加,蓝移量减少,这是因为入射激光光强的增加削弱了激子内部的库仑相互作用,引起了电子挣脱库仑束缚,从而发生电子隧穿效应,激子效应减小,导致蓝移量减少。同时观察到,在量子点系统中由于库仑相互作用,电子空穴的波函数发生交叠,引起了激子拉曼效应谱线高度大约为电子拉曼效应谱线高度的三倍。本工作对实验研究和新型光电子和微电子器件的研发具有一定的指导意义。

 

本文发表在Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures Volume 93, September 2017, Pages 271-274

 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1386947717302606?via%3Dihub

 

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