量子点中电子态的稳定性

发布时间：2020-06-08 14:17

【摘要】：量子点是一种人工合成的特殊的材料,在其内部电子自旋会受到强烈的束缚,从而形成离散的轨道能级,与自然界中的原子十分类似。其内部的电子自旋具有良好的相干性,可以作为量子比特或者逻辑门,这在自旋电子学,量子信息和功能材料领域有非常广阔的应用前景。然而限制其实际应用的最大阻碍是电子自旋在环境的干扰下会快速地退相干,从而导致量子信息的丢失。因此寻找那些能在环境的干扰下保持相干性的电子自旋是十分重要的研究课题。半导体量子点中锰离子内的电子自旋,其波函数具有非常强的局域性,因此其相干性很难受到周围核自旋的干扰;而拓扑绝缘体中处于边缘态的电子自旋,由于其波函数集中分布在量子点的边缘,且具有对称性的保护,因此其能在外加电场下保持稳定。以上两种材料中的电子自旋拥有出色的稳定性,因此十分有潜力应用于未来的量子设备中。在本文中,我们主要研究了半导体量子点中的锰自旋以及拓扑绝缘体量子点中的边缘态的稳定性。所谓的稳定性就是在外界干扰下能保持相干性,我们首先介绍了退相干和量子点的相关理论基础,接着我们详细介绍了我们关于半导体量子点中锰自旋以及拓扑绝缘体量子点中的边缘态的研究,最后进行了总结与展望。全文共分五个章节:在第一章中,我们简单介绍了本文的研究对象即量子点中的电子自旋及其退相干的理论基础。在第二章中,我们主要研究了半导体中锰自旋的纯退相(退相干的机制之一)。首先我们建立了二能级模型来描述量子点中锰自旋纯退相的物理图像,并提供了解析推导和数值计算的方法。然后我们详细分析计算了各种原因下导致的锰自旋纯退相的速率,从而提供了抑制锰自旋纯退相的方法。其中最重要的方法是添加面内电场来操控半导体内电子的波函数从而抑制纯退相。最后我们分析了低温时周围核自旋对锰自旋纯退相的影响。在第三章中,我们主要利用基展开法数值计算了二维拓扑绝缘体量子态的能量和波函数,并且将能量与外加电场的导数定义为灵敏度来描述其对外电场干扰的稳定性。然而由于基函数展开法精度的局限性,我们只讨论了半径较小的量子点的情形。在第四章中,为了改进第三章工作的不足,我们引入模式匹配法,得到了半解析形式的能量和波函数。在此基础上,我们详细地讨论了二维拓扑绝缘体边缘态的对称性和稳定性。包括分析边缘态的能级等间距,带隙中存在边缘态的条件以及量子点的参数对稳定性的影响。在第五章中,我们总结了前文的研究,并对未来的工作进行了展望。
【图文】：

电子自旋,量子化,磁场,退相干

图１．１：电子自旋在沿ｚ轴磁场下量子化。（ａ）用布洛赫波矢来描述一个普通的逡逑纯态，（ｂ）电子自旋在磁场下的演化，可以用一个布洛赫波矢的进动来描述。逡逑源自［９８］。逡逑的量子相干性，从而产生一系列非经典的现象，如干涉和量子纠缠。如果将该逡逑系统置于实际的环境中，其与环境的相互作用会使得相干性消失，这个过程被逡逑称为退相干。显然抑制退相干就能够提高量子态的稳定性。然而环境所导致的逡逑退相干存在多种机制，，我们必须清楚各种机制的原理才能采用对应的手段来抑逡逑制退相干。详细的讨论可见文献丨９８］。逡逑１．２．１物理模型逡逑为了研宄退相干的机制，我们考虑一个模型。该模型由一个处于中心的子自旋，自旋周围纳米尺度的自旋库，以及外部环境组成。该中心电子自旋处逡逑于一个沿ｚ轴方向的外磁场下，其演化遵循塞曼哈密顿量逡逑

示意图,示意图,量子阱,带隙

其中ｐ带分裂为Ｊ邋＝邋３／２带（ｒ８）和Ｊ邋＝邋ｌ／２带（ｒ７）。ＣｄＴｅ与ＨｇＴｅ材料存在十分逡逑巨大的差异：ｃｄＴｄ0ｒ８带位于ｒ６带之下，与普通的ＩＩＩ－Ｖ族半导体一样带隙为逡逑正；而带位于ｒ６带之上，与ＣｄＴｅ及普通的ＩＩＩ－Ｖ族半导体恰好相反，逡逑带隙为负，被称为反转带隙。当ＨｇＴｅ和ＣｄＴｅ材料组成量子点时，ＨｇＴｅ层为势逡逑阱，ＣｄＴｅ层则为势垒。若势阱的厚度很小，整个量子阱的体能带与ＣｄＴｅ材料逡逑相似，即具有心特性的玢带位于具有ｒ８特性的带上方。此时整个量子阱的体逡逑能带带隙为正，称为正常带隙，因此该量子阱为普通绝缘体。当势阱的厚度大逡逑于临界值（大约６．３ｎｍ）时，该量子阱的能带结构与ＨｇＴｅ材料类似，即具有］＂６特逡逑性的玢带位于具有ｒ８特性的带下方。此时整个量子阱的体能带带隙为负值，逡逑为反转带隙，而该量子阱即为典型的拓扑绝缘体量子点。逡逑１．４论文结构安排逡逑第二章主要介绍了半导体量子点中锰自旋的纯退相过程。我们研宄的主要逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O471.1

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