纳米机械系统的量子光学效应及其在质量测量上的应用

发布时间：2017-08-01 19:21

  本文关键词：纳米机械系统的量子光学效应及其在质量测量上的应用

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【摘要】：科学领域和工程领域的研究人员对纳米机械系统均有着浓厚的兴趣，因为该系统对外界的影响有着极高的敏感度，所以该系统在量子测量、生物技术等在各个领域都有着潜在的应用。这一固有的性质使得纳米机械振子(NR)被用于超精传感器的制作。在该传感器发展的早期，人们用两端固定的振子作为质量传感器。一端固定一端悬空的悬臂梁振子被设计出来并用于制作原子力显微镜后，这样的振子也被用于质量传感器的制作。最近，腔量子电动力学（cQED）成为物理学中一个迅速成长的领域。我们考察光腔机械系统后可知：通过机械振动产生的声子实现相干耦合是一种制备或操作机械振子量子态很有前景的方法。理论研究明确的指出局域二能级激子和纳米机械振子之间的相干耦合相互作用是存在的，同时，该现象使产生局域二能级和机械振动的相干叠加量子态成为可能。在强的泵浦场和弱的探测场存在时，局域二能级激子与振动的纳米机械振子之间的耦合类似于光腔机械系统中的光腔与机械震荡之间的耦合。其中在局域二能激子代替光腔，纳米机械振子代替光腔机械系统中的震荡元素。类比腔量子电动力学(cQED)与电学频率探测方法，我们做了如下工作：(1)基于泵浦探测技术，我们从理论上提出了一种探测自旋振子耦合系统中振子振动频率和自旋振子耦合强度的方法，该耦合系统是由位于金刚石中氮空穴（NV）中心中的单电子自旋与纳米机械振子耦合而成的系统；(2)我们从理论上研究了基于上述自旋振子耦合系统的质量测量方案；(3)我们基于全光技术设计了一个基于两端固定的Z型石墨烯纳米带（GNR）的光学质量传感器。 论文共分为五章. 在第一章中，我们介绍了纳米机械系统的基本概念及其发展历史。简单介绍了纳米机械系统的优良特性，着重介绍了纳米机械系统中的纳米机械振子在各个领域的应用。其中详细介绍了原子力显微镜的工作机理以及纳米机械振子的质量测量原理。 在第二章中，我们提出了在自旋-振子耦合系统中测量纳米机械振子振动频率以及测量纳米机械振子与电子自旋耦合强度的方法。该章表明，，对于一个给定的泵浦场与自旋比特的失谐量，纳米机械振子的振动频率可以通过探测场的吸收谱获得。另外，当泵浦场与自旋比特的失谐量与纳米机械振子振动频率相匹配的时，我们能轻易的通过探测场吸收谱中出现的两峰的劈裂宽度得到自旋-振子耦合强度。这里提出的方法有望用于基于自旋的耦合量子计算系统和量子信息处理系统。 在第三章中，我们从理论上提出了一种基于自旋-振子-粒子的复合系统的质量测量方案。利用探测微波场的吸收谱，我们能精确的得到附着在纳米机械振子自由振动的一端的粒子的质量。由于我们考虑了粒子在振子上的附着位置对振动频率的影响，相比传统的方案，我们的测量机制所产生的误差是更小的。本章提出的基于自旋-振子-粒子的复合系统以及双光探测技术的质量测量方法相比于传统的电学质量测量方法和单光质量测量方法有明显的优势。 在第四章中，我们提出了一种基于Z型石墨烯纳米带振子的质量测量的理论方法。根据吸收谱中振子频率的变化，我们能方便而精确的得到附着在Z型GNR振子的粒子的质量。由于基于GNR的传感器有着超小的质量以及高的品质因子，该传感器将能够探测单个核子的质量，同时还有望提供一种直接鉴别化学元素的方法。最后，我们希望我们提出的方案能尽快被实现。 第五章是本文的总结和展望。
【关键词】：纳米机械系统 纳米机械振子 石墨烯纳米带 二能级激子 自旋比特 耦合系统 质量传感器
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.1;TH113
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-10
• 目录10-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 纳米机械系统12-17
• 1.1.1 纳米机械系统的发展12-13
• 1.1.2 纳米机械系统的性质13-14
• 1.1.3 纳米机械系统中的机械振子14-17
• 1.2 本章小结17
• 参考文献17-20
• 第二章 纳米机械振子与自旋耦合系统中本征参数的测量20-32
• 2.1 引言20-21
• 2.2 模型与计算21-25
• 2.3 纳米机械振子振动频率的测量25-27
• 2.4 纳米机械振子与自旋比特之间耦合强度的测量27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 参考文献29-32
• 第三章 基于纳米机械振子与自旋耦合系统的质量测量方案32-42
• 3.1 引言32
• 3.2 模型与计算32-35
• 3.3 数据与讨论35-38
• 3.4 本章小结38
• 参考文献38-42
• 第四章 基于石墨烯纳米带量子点系统的质量测量方案42-52
• 4.1 引言42-43
• 4.2 模型与计算43-46
• 4.3 数据与讨论46-49
• 4.4 本章小结49
• 参考文献49-52
• 第五章 总结与展望52-54
• 5.1 总结52-53
• 5.2 展望53-54
• 附录 A 二能级激子与纳米机械振子耦合系统哈密顿量的旋转变换过程54-56
• 附录 B 二能级激子与纳米机械振子耦合系统一阶线性极化率的详细推导56-64
• 插图索引64-66
• 致谢66-68
• 攻读学位期间发表的学术论文目录68-70

【共引文献】

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本文编号：605809