介观双量子点系统的电子输运特性

发布时间：2020-08-06 14:17

【摘要】：量子信息和量子计算方面的研究在最近十几年中得到了国内外物理学术界的高度关注。近年来随着固态量子计算的提出和实验上微小器件的不断发展,量子力学效应会在介观系统中逐渐占据主导作用,这将影响着量子测量、量子计算、量子操控的发展,尤其是在信息的处理和存储方面。量子测量问题是量子力学诠释和量子信息应用的关键所在,研究系统与环境的相互作用产生的退相干和弛豫过程有利于我们实现量子计算和量子操控。但是在实际系统中,因为量子系统和外界环境(包括探测器)不可避免的耦合会导致退相干的发生,量子相干性很难保持。如何描述系统与环境、探测器之间耦合作用的测量动力学以及进一步实现量子操控抑制退相干已经成为量子信息和量子计算的重要研究内容之一。本论文旨在探究介观双量子点系统的电子输运特性,在理论上运用量子点接触探测器并且结合全计数统计理论拓展了附加Bloch矢量的方法来研究双量子点系统在两种不同的环境中与探测器耦合的动力学方程,进而求出输出的电流、法诺因子和平均等待时间等动力学性质。通过研究发现,在耗散的环境中,非对称结构的Fano因子随着退相干速率的增大而增强,随着弛豫速率的增大而使Fano因子展现出明显的抑制作用,然而不同的弛豫速率不影响电流的大小。我们还发现超泊松分布的原因主要来源于动力学channel blockade和量子相干效应。在纯退相的环境中,对称的Fano因子随着退相干速率的增大也呈现出显著增强的趋势,这很大程度上归结于量子Zeno效应。再者,研究结果表明平均等待时间的分布和电流的变化趋势展示出很好的对应关系。本文提供了一种在研究量子测量方面非常有效的方法。本论文一共有五章。主要围绕着双量子点系统和环境以及探测器相互作用的动力学性质开展相关的研究工作,重点研究其中蕴含的丰富的物理机制和电子输运特性。本论文的主要内容以及结构如下:第一章主要介绍了双量子点系统的研究背景和现状,并且分别介绍了双量子点的结构、遂穿效应、库仑阻塞效应等显著的特性,以及量子点在医学、生物学、发光材料方面的研究意义。第二章是本文的理论基础,主要介绍了双量子点系统量子输运和量子测量的理论,进一步介绍S.A.Gurvitz的几率演化方程方法的提出和应用,论述了双量子点系统中电子输运的基本物理机制以及系统与探测器耦合情况下的动力学方程。在第二章的最后介绍了全计数统计的方法和理论,还有有关散粒噪音的理论及其由来。第三章我们对已有的关于量子测量的主方程进一步的推导并提出了附加Bloch矢量的方法来表征系统的动力学过程。计算了耗散环境下双量子点与探测器耦合的动力学方程,分析了驰豫速率和退相干速率对系统动力学的影响,证实了环境的弛豫过程导致了非对称的Fano因子,讨论了不同能量偏压下的平均电流和Fano因子的特点和规律。通过在耗散的环境下量子测量反映出来的动力学性质不同,从而使得介观半导体器件表现出不同于宏观器件的量子特性和现象,比如量子Zeno效应,库伦阻塞效应等。第四章继续运用附加Bloch矢量的方法对在纯退相的环境下双量子点系统与环境耦合的动力学性质进行了研究,计算并分析了移相速率和退相干速率对平均电流、Fano因子以及平均等待时间分布的影响,进一步对探测器与系统的影响及其物理机制进行了探讨。第五章是对前面几章的工作进行了总结,并对下一步的工作进行了展望。在实验上可以选择和调整其他参数,如双量子点系统之间的耦合强度,外激光场的强度,外加磁场的强度等来获得不同程度的量子相干效应以及电子在量子点内的滞留时间,我们预测也可以通过测量Fano因子来对环境的耗散速率和退相干速率进行量化。通过介观双量子点电子输运特性的理论研究增进对量子效应以及物理机制的理解,并为量子计算,量子操控以及量子纠缠在实践中的应用提供理论指导。此外,也为以后采用分子体系实现量子计算奠定很好的理论基础。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413

【参考文献】