微纳尺度光力学系统中的量子光学特性及其在光学探测上的应用

发布时间：2019-05-31 12:38

【摘要】：马约拉纳费米子是一种奇异的粒子,它的反粒子是其本身。研究者预测中微子可能是马约拉纳费米子。几十年来,粒子物理学家们一直在寻找马约拉纳费米子,但目前仍然没有确凿的证据证明这个预测。最近,研究者在凝聚态系统中观测到了马约拉纳费米子的迹象,这引起了人们的广泛关注。在一定的磁场条件下,复合半导体纳米线/超导体异质结系统中纳米线的两端会出现一对马约拉纳费米子。由于马约拉纳费米子遵守非阿贝尔统计,因此它们有可能应用于拓扑量子计算。然而最近的研究发现其它的一些物理机制,比如近藤效应、纳米线的弯曲与混乱都会引起类似马约拉纳费米子的迹象。此外,目前大部分探测马约拉纳费米子的方法多是基于电学测量。因此,为了得到马约拉纳费米子的确凿证据,其它的探测方案或者提议的提出对探测和证明马约拉纳费米子是很有必要的。我们提出一种全光学的方法来探测马约拉纳费米子。近年来,得益于当今纳米科学技术的进步,各种各样的纳米结构,比如半导体纳米量子点、半导体纳米量子线、金属纳米颗粒、纳米超导材料、纳米尺度的光学腔等纳米结构的成功制备,为微纳尺度的量子光学探测提供了一个良好的媒介。与此同时,光的辐射压力现象也因此能被观测到,为光力学系统的研究打开了一扇新的研究之门。此外,层状材料结构比如石墨烯、碳纳米管和二硫化钼材料,由于其超轻质量、超高品质因子、超高的机械频率以及本征的小尺度特性,它们被认为是制造纳米机械振子的理想材料。本论文中,基于光学pump-probe技术,我们呈现出一种全光学探测新奇物理现象的方法,全文共分为以下六个章节:第一章是绪论。我们首先引入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;简要介绍了它们的各种制备方法以及在各领域中的应用。接着介绍了在复合的半导体纳米线/超导体异质结这个系统中观测到了马约拉纳费米子迹象,并且介绍了最近两三年中在凝聚态系统中寻找马约拉纳费米子的几个重要的实验。随后,我们对层状材料,比如石墨烯、碳纳米管和二硫化钼材料做了介绍,并对二硫化钼材料的制备以及将来可能的应用做了详细的阐述。其次,简述了复合的纳米机械系统(比如量子点与纳米机械振子的耦合)和光力学系统(回音壁模式光力学系统)。最后,引入一种光学pump-probe探测技术。在第二章中,我们提出一种全光学的方案来探测凝聚态物理系统中的奇异的粒子—马约拉纳费米子。半导体量子点作为一个二能级系统提供了一个良好的媒介来探测马约拉纳费米子。当半导体量子点与复合半导体纳米线/超导体异质结中的马约拉纳费米子相耦合时,通过把光学pump-probe技术作用到半导体量子点上,便可以通过量子点的探测吸收谱或非线性克尔谱观测到马约拉纳费米子的迹象。我们进一步用量子点与金属纳米颗粒组成的复合结构来探测马约拉纳费米子。金属纳米颗粒表面产生的等离子体将会增强量子点的光学效应,使得马约拉纳费米子较容易被探测到。当我们把一个量子点植入到一个纳米机械振子中,纳米机械振子的振动将会增强量子点的非线性光学效应,也将会使得马约拉纳费米子更容易被探测到,并且这种非线性探测方案可能对探测噪声免疫。与量子点相比,单电子自旋可以看成一个纯的二能级系统,因此单电子自旋可以看做是一个灵敏的探针。我们考虑把单电子自旋植入到悬浮的碳纳米管中,通过单电子自旋来探测马约拉纳费米子。通过这个方案,可以测得单电子自旋与马约拉纳费米子之间的耦合强度。碳纳米管的振动表现出一个声子腔的行为,使得马约拉纳费米子更灵敏地被探知。我们的全光学方案提供了另一种探测马约拉纳费米子的方法,这也为增强对马约拉纳费米子的操控和实现基于马约拉纳费米子的量子信息处理方面的应用打开了一扇大门。在第三章中,我们提出一个基于悬浮在Si/Si O2基底上的平板状圆形单层二硫化钼纳米光机械系统。研究了系统中的线性和非线性光学特性,提出一个测量系统中声子与激子的耦合强度的光学方法,证明了系统中的声子诱导透明现象。通过控制pump场的强度,单层二硫化钼机械振子表现出一个光学晶体管。调查了该系统中的非线性光学效应,研究了一些参数对光学克尔效应的影响。同时提出了一种测量机械振子振动频率的非线性光学方案。与此同时,我们进一步提出一种非线性光学质量传感方案。通过测量非线性光学谱线中的共振频移,便可测出沉积在二硫化钼振子表面上的额外质量(比如流感病毒和HIV病毒)。单层二硫化钼纳米机械振子系统将会在量子信息处理和全光学芯片尺度二硫化钼基于的器件上有着潜在的应用。在第四章中,我们提出了两种纳米机械振子系统:碳纳米管机械振子系统和锯齿状石墨烯纳米带机械振子系统,并对这两个系统进行比较。首先,基于两边夹紧悬浮的碳纳米管机械振子,提出一个非线性光学质量传感方案。通过测量非线性光学谱中振子的共振频移,便能直接测得沉积在碳纳米管振子上的额外粒子(如一氧化氮分子)的质量。为了和碳纳米管作比较,我们进一步提出一个基于锯齿形石墨烯纳米带的非线性质量传感方案。由于石墨烯的超轻质量特性,单个纳米粒子的质量(如二氧化氮和氨气分子)也可由石墨烯纳米带机械振子测出。非线性光学质量传感方案可能会对探测噪声免疫,这将会提高探测的灵敏度。我们同时在石墨烯纳米带机械振子系统中研究了的声子诱导透明、电磁诱导吸收,参数放大现象、以及非线性光学克尔效应。这种基于碳纳米管和石墨烯纳米带的机械振子系统将有可能应用于量子测量、化学检测、环境监测上和全光学器件上(如光学三极管)。第五章中,在微波段,首先基于双层石墨烯系统,我们设计一个石墨烯纳米振子与微波腔耦合的光机械系统。在红边带条件下,证实了系统中的光机械诱导透明现象。研究发现石墨烯-微波腔光机械系统中,慢光现象的数量级可以达到毫秒量级(光学腔中的慢光在纳秒量级)。在蓝边带条件下,研究了系统中的光机械诱导吸收现象和超快光现象。与此同时,也研究了石墨烯光机械系统中的共振增强的四波混频现象,提出一个测量石墨烯振子频率的非线性光学方法。在光学频段,我们研究了一个三模耦合光机械系统,其中两个光学腔与一个机械模式相耦合,并且给出一个更为普遍的三模光机械系统。分别对两个腔施加一个光学pump-probe技术,在不同参数机制下,在这个三模系统中我们得到了相干完美吸收和透射现象。当相干完美吸收产生时,输入的探测场的能量将完全转化为内腔场的能量和振子的内部相干振动,并且可以通过控制腔与腔之间的耦合来实现对相干完美吸收、相干完美透射以及能量转换的控制。相干完美吸收与透射的研究对在交换机、调制器和过滤器上有着潜在的应用。第六章是本文的主要结论和展望。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O431.2;TB383.1

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