实验研究碳纳米管机械振子

发布时间：2018-03-29 19:08

本文选题：碳纳米管　切入点：纳米机械振子　出处：《中国科学技术大学》2017年硕士论文

【摘要】：近年来由于微纳加工技术的成熟,人工纳米结构被广泛的研究,人们积极探索各式各样的纳米材料的力学、热学、光学和电磁性质,其中纳米机械振子由于可以研究光和物质的相互作用而受到重视。国际上的研究组在光子晶体机械振子和超导铝膜鼓形电机械振子这两个体系上报道了一系列基础物理研究成果,例如:微米尺度的机械振子通过光或者微波冷却到了宏观量子力学基态和声子模式压缩态的产生等等。这些研究表明机械振子或者说声子完全可以以量子化的形式参与到光和物质的相互作用中去,类似于量子光学人们将声子和物质相互作用这门学科称为量子声学(Quantum Acoustics)。除了光子晶体机械振子和超导铝膜鼓形机械振子外,由于低维材料的兴起,人们还研究了一系列的机械振子,如石墨烯机械振子、碳纳米管机械振子、WS2机械振子等等。这些种类的机械振子除了具有良好的基本性质外,还可以用来研究磁场中的朗道能级、量子点量子比特与机械振动的耦合体系,这是单纯的光机械系统所不具备的优势。另一方面,基于半导体量子点的量子计算由于现代成熟的半导体工艺技术而被人们看成是实现量子计算的有效体系之一。随着操控的量子比特数目的增加,人们一直探索用超导微波腔来长程耦合半导体量子比特,并且取得了一些进展,但是目前还处于不成熟阶段。比较微波光子和声子,两者都是波色子,不禁想到是否可以利用声子腔来耦合量子比特,而声子的载体刚好可以用纳米机械振子来做。因此,我们开始从事基于碳纳米管的电机械振子的研究并且取得了一系列的成果。本论文主要介绍以下内容:1、较为详细的介绍国际上纳米机械振子这一领域的研究进展,包括光子晶体机械振子、超导铝膜鼓形机械振子以及碳纳米管机械振子等等。对于碳纳米管量子点还介绍了最基本的概念。2、介绍了碳纳米管机械振子样品加工和超低温测量中所用到的微纳加工设备、低温设备、以及电学测量仪器。结合实验中用过的样品详细介绍了碳纳米管机械振子的样品加工流程和低温测量方法。3、实验研究了两个串联的机械振子之间耦合强度,通过测量碳纳米管隧穿电流的方法,发现当机械振子的频率调节到很接近时,两个振子的振动发生了叠加,产生了频率劈裂现象,表明到了强耦合区域。4、实验发现碳纳米管机械振子可以存在多种振动模式,前人报道了不同模式在振幅很大的非线性区域存在强耦合现象,我们在线性区域的小振幅情形通过外加泵浦微波的方式将两个相互独立的振动模式耦合起来了,并且达到了强耦合区域。5、实验研究了相干操控声子能量在机械振子的两个不同声子模式中的来回交换,实现了一个经典的拉比振荡过程,将机械振子的两个模式类比成量子二能级系统,则这个经典拉比振荡过程可以模拟量子的拉比振荡。本论文主要创新点:1、首次在碳纳米管体系上实现了近邻的两个振子的强耦合实验。2、首次在碳纳米管体系上在线性区域内研究了不同模式间的动力学强耦合。3、在实现了模式间的动力学强耦合后,又在时域上操控机械振子实现了一个经典的拉比振荡过程,可以用来模拟量子二能级系统的拉比振荡。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TQ127.11

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