半导体量子点与金属纳米颗粒复合系统的光学特性及量子纠缠的研究

摘要

随着纳米技术的飞速发展，各种各样的纳米结构被制造出来。由于这些纳米结构在每个空间维度上被限制在一百纳米以内，它们的量子限制效应特别显著。在可见光的作用下，由于其结构半径小于可见光波长，被制备的纳米结构有着独特的光学特性。当代各种新型材料的开发与纳米结构材料间有着密切的联系。半导体量子点和金属纳米颗粒是两种常见的纳米结构材料。它们各自有着特有的性质。这些性质常被用于与人们生活有关的领域中。例如：半导体量子点的荧光效应常常被用于在生物领域中的细胞DNA分子进行标识；金属纳米颗粒可用于杀菌消毒；它们都可被用于制造太阳能电池等等。由这两种纳米材料构成的复合材料有着不同于单种纳米材料的性质。这些性质被可被应用于物理，生物，医药治疗等领域。由于该复合材料的特有的物理结构，它的光学性质常常受到科研者们的关注。在该复合材料的光学Fano效应被人们所观察到。为了理论地解释这些光学现象，许多物理科研者热衷于研究它内部存在的物理机制。在该复合材料中，半导体量子点与金属纳米颗粒会进行能量交换。这种能量交换是通过场与场相互作用来完成的。当前，越来越多的人更趋于利用全量子理论来描述这种相互作用。在全量子理论描述中，在半导体量子点中的激子和在金属纳米颗粒表面的等离激元场间的相互作用清晰地揭示了半导体量子点和金属纳米颗粒的能量交换的物理机制。全量子理论还可以描述多个半导体量子点和多个金属纳米颗粒之间的耦合。以金属纳米颗粒上的等离激元场为交换能量的平台，多个激子间可以进行相互作用以致产生量子纠缠。这种量子纠缠的产生有助于基于固体纳米材料的量子信息科学的发展。本论文共分为六章。
　　在第一章中，我们首先介绍了半导体量子点和金属纳米颗粒这两种纳米材料的基本知识；其中包括了它们的各种制备方法以及在各领域的应用。接着，我们简述了由这两种纳米材料构成的耦合系统，以及用于描述该耦合系统中的激子与等离激元场间的相互作用的半经典理论和全量子理论。最后，我们简要地介绍了Fano效应以及量子纠缠。
　　在第二章中，我们研究了由一个半导体量子点和一个金属纳米颗粒所构成的耦合系统。在该耦合系统中，半导体量子点和金属纳米颗粒间的耦合强度是由它们间距离决定的。在强耦合情况下，激子与等离激元场相互作用导致了在半导体量子点能量吸收谱上的真空拉比劈裂。当耦合变弱时，在能量吸收谱上的拉比劈裂会越来越小，直到完全消失。一种量子变换被提出用于处理在弱耦合情况下的激子与等离激元场相互作用。我们研究了在弱耦合情况下整个系统对一个光场的光学响应以及它对两个光场的光学响应。研究显示通过对强光场的控制可以调节耦合系统对弱光场的能量吸收。
　　在第三章中，我们研究了由一个金属纳米颗粒诱导的多个半导体量子点间的耦合。我们详细地阐述了两个半导体量子点间耦合所产生的量子纠缠。如果没有激光场对它们进行激发，它们间的量子纠缠的相干度（concurrence）会在几个纳秒后完全消失。在激光场对它们进行激发下，由于耦合系统中的稳态的产生，它们的量子纠缠可以达到稳定值。结果显示最佳的激光强度可使得量子纠缠的相干度达到最大。由于量子纠缠态生成的光学路径与产生Fano效应的光学路径间的重合，我们演示量子纠缠的相干度可以通过对Fano效应的观察来获得。
　　在第四章中，我们研究了由两个金属纳米颗粒和一个半导体量子点所构成的耦合系统。在外场的激发下，每个金属纳米颗粒对应着一个Fano量子干涉过程；而每个Fano量子干涉过程是由两个干涉的光学路径构成的。由于这两个Fano量子干涉过程的光学路径间有着重合，所以它们间的光学Fano效应会形成关联。利用这种关联，我们可以通过改变其中一个金属纳米颗粒的Fano效应去影响另一个金属纳米颗粒的Fano效应。
　　在第五章中，我们研究了由一个生物半导体量子点（多个DNA分子粘在半导体量子点上）和一个金属纳米颗粒所构成的复合系统中的等离激元增强光学双稳性。在生物半导体量子点中，半导体量子点中激子与DNA分子的振动模间的相互作用导致了半导体量子点的能量吸收谱呈现光学双稳性。半导体量子点的光学双稳性会随着它与金属纳米颗粒间的能量交换而转移给金属纳米颗粒；从而使得金属纳米颗粒的Fano效应也呈现光学双稳性，即：双稳Fano效应。金属纳米颗粒的双稳Fano效应极大地增强整个复合系统的双稳性，即：等离激元增强光学双稳性。我们还提出一个可行方案去测量半导体量子与DNA分子间的耦合常数。
　　第六章是本文的主要结论和展望。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 半导体量子点

1.3 金属纳米颗粒

1.4 半导体量子点与金属纳米颗粒间耦合的两种理论描述

1.5 Fano效应

1.6 量子纠缠

1.7 本章小结及章节安排

参考文献

第二章 半导体量子点和金属纳米颗粒耦合系统在强与弱耦合下的光学特性

2.1 强耦合下的真空拉比劈裂的观测

2.2 弱耦合下的系统对光场的光学响应

2.3 本章小结

参考文献

第三章 金属纳米颗粒诱导两个半导体量子点耦合

3.1 两个半导体量子点间的耦合

3.2 在激光激发下的两个半导体量子点耦合形成稳态纠缠

3.3 本章小结

参考文献

第四章 两个金属纳米颗粒的光学Fano效应间的关联

4.1 引言

4.2 模型与理论

4.3 半导体量子点和两个金属纳米颗粒上间的能量交换

4.4 半导体量子点的能量吸收

4.5 两个金属纳米颗粒的能量吸收

4.6 本章小结

参考文献

第五章 等离激元增强双稳性和双稳Fano效应的研究

5.1 引言

5.2 模型与理论

5.3 等离激元增强双稳性和双稳Fano效应

5.4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

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