量子点-微腔系统中声子库作用研究

摘要

空腔量子电动力学(cQED)研究置于空腔中的原子或类原子发光性质,是量子光学一个重要的研究领域。跟传统的原子cQED系统相比,固态cQED系统具有体积小、容易集成可扩容的优势。量子点-光子晶体微腔系统是一种典型的固态 cQED系统,量子点(quantum dots)中电子-空穴除了跟空腔模发生相互作用之外,还同固体环境中的声子发生耦合。声子库对 cQED系统的影响主要表现在三个方面:量子点跟空腔耦合系数的重整化、失谐辅助耦合以及纯退相,对这三种影响的理论计算必须依据声子谱函数,这是本论文研究的主要问题。首先介绍 cQED系统原理及其应用,自组织量子点-光学微腔系统的制备方法和物理特性。然后给出固态cQED系统理论模型,采用高斯型波函数,考虑电子和空穴局域化长度的差别,分别以球对称和椭球对称波函数来模拟量子点的不同尺寸和形状,考察电子-空穴同声学声子的两种耦合特性,求出相应的声子谱密度函数的解析表达式,进而数值计算声子过程造成的纯退相率。利用近似表达式,由等效声子谱给出温度4K时量子点的激发态寿命同量子点与微腔失谐之间的关系。研究发现,随量子点局限电子的空间缩小,声子谱的幅度和扩展范围都随之增大,电子跟声学声子的相互作用对量子点跟空腔的耦合系数重整化增强。纯退相率也随量子点局限电子的尺寸缩小而增加,随温度升高而增加。在温度为4K时,不同声学声子谱对量子点激发态总的衰退率影响差别不明显,但4纳米尺寸对应声子谱表现出特殊性。量子点局限电子-空穴的空间尺寸大小在决定电子跟声子耦合强度方面起主导作用。

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第一章 绪论

第一节 研究背景

第二节 空腔量子电动力学

第三节 固态cQED系统中的声子效应

第四节 研究内容与方案

第二章 量子点-光学微腔系统

第一节 自组织量子点

第二节 半导体光学微腔

第四章 理论模型和计算方法

第一节 Jaynes-Cummings模型

第二节 系统模型与哈密顿量

第三节 声子谱函数及其应用

第四节 形变势耦合谱函数

第四章 尺寸和形状系列声子谱的计算

第一节 球对称波函数尺寸系列声子谱

第二节 椭球对称波函数形状系列声子谱

第三节 声子库对系统动力学参数的影响

第六章 结论与展望

参考文献

研究生在读期间发表论文

致谢