基于腔量子电动力学的单个量子点与微腔的耦合与调控研究

摘要

单量子点-光学微腔耦合系统，作为腔量子电动力学在固态体系中的实现，由于其在未来的新型量子光源，光电子器件以及量子信息处理等领域的广泛应用前景而受到人们极大的关注与研究热情。
　　在本论文中，我们针对传统的利用MBE生长样品效率低的缺点，利用改进了的MOCVD系统以及FIB等样品生长与加工方法，制备了包含单层InGaAs/GaAs量子点的微柱形F-P微腔结构，并通过样品制备与加工过程的不断优化，得到了具有与目前国际上文献报道中相当质量的样品。
　　接着，我们研究了在不同温度下，单量子点中激子与腔模的耦合效应。利用腔模与单量子点激子对温度的响应不同，通过改变样品温度调节它们之间的能量差，并在实验上观察到腔模与激子能量从非共振到共振区的转变行为，在光谱上表现为谱峰交叉的形式。当两者能量共振时，我们观察到很强的Purcell效应，即量子点的荧光由于其自发辐射速率的提高被显著增强。进一步的，通过三能级的理论模拟，我们计算了在不同能量差时量子点激子荧光的强度，理论结果很好的描述了实验上观察到的现象，并且通过理论拟合，我们得出了系统的Purcell系数。
　　考虑到传统的温度调节方法无法满足对单量子点中激子自旋态与腔模的耦合进行研究的现状，我们提出了利用磁场研究并调控量子点-微腔的耦合效应。在这一部分中，我们首先研究了自组织生长单量子点在磁场中的发光行为。在外加磁场下，我们观察到了单个InGaAs量子点中激子态的塞曼分裂和抗磁效应。通过拟合，分别得到了不同量子点中的激子有效g因子以及抗磁系数γdia。我们对量子点的尺寸，形貌，以及成分等参数对g因子和γdia的影响进行了初步的讨论与理论计算。在此基础上，我们对量子点-微腔耦合系统进行了深入研究，首次在单个InGaAs量子点-微腔结构中实现了激子自旋态的磁场调控。利用塞曼效应，以及抗磁效应，我们第一次观察到了激子在磁场下分裂的两支自旋态与腔模的耦合，又由于Purcell效应的作用，使其中一支激子自旋态的自发辐射得到了有选择性的增强，从而在非偏振激发的条件下，利用腔量子电动力学实现了单量子点荧光的偏振选择。针对磁场中的耦合系统，我们提出了一个四能级模型，通过计算四能级速率方程，对我们的实验结果进行了理论模拟，理论结果与实验符合良好。我们的结果有可能为将来基于腔量子电动力学效应的具有偏振特性的量子光源以及量子信息处理的应用开辟新的前景。

目录

摘要

第一章 前言

1-1 腔量子电动力学研究背景与研究动机

1-2 本文基本框架

参考文献

第二章 腔量子电动力学基本理论

2-1 半导体自组织生长量子点概述

2-1．1 基于SK生长模式的MOCVD外延生长概述

2-1．2 半导体量子点中的激子态以及光学性质

2-2 基于腔量子电动力学的单量子点与微腔的耦合

2-2．1 强耦合区：真空Rabi分裂

2-2．2 弱耦合区：Purcell效应

2-3 半导体纳米微腔结构概述

2-3．1 圆盘形微腔

2-3．2 微柱形微腔

2-3．3 光子晶体微腔

参考文献

第三章 微柱形腔量子点的制备与实验配置

3-1 微柱形腔量子点的生长与加工

3-1．1 样品设计与生长

3-1．2 微柱形腔量子点的刻蚀与加工

3-2 实验配置与方法

3-2．1 共焦显微荧光光谱系统

3-2．2 深低温、强磁场系统

参考文献

第四章 单量子点-微腔耦合系统自发辐射的温度调控

4-1 前言

4-2 实验配置

4-3 实验结果与讨论

4-3．1 单个量子点-微腔结构的变温PL光谱

4-3．2 腔量子电动力学：Purcell效应

4-3 小结

参考文献

第五章 Purcell效应的磁场调控及激子自旋态的选择性耦合

5-1 前言

5-2 磁场中单个量子点的塞曼效应与抗磁效应

5-2．1 样品与实验配置

5-2．2 结果与讨论

5-3 单量子点-微腔耦合系统中Purcell效应的磁调控以及自旋相关的自发辐射速率的选择性增强

5-3．1 实验配置与方法

5-3．2 实验结果与讨论

5-4 小结

参考文献

第六章 后续研究方向的分析与展望

6-1 Ⅱ-Ⅵ族量子点

6-2 单量子点与微腔的强耦合的实现

6-3 共振激发与共振荧光的探测

参考文献

第七章 总结

附录：EBL结合ICP刻蚀腔量子点的流程

博士期间发表的论文

致谢

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