量子点复合系统中量子光学特性的研究

论文摘要

随着纳米技术的发展,人们可以在自然界已经存在的原子分子基础上,构建出各种具有量子效应的纳米颗粒,如量子点、量子线、金属纳米颗粒、单层石墨。除了这些纳米材料之外,还有一些材料,比如纳米机械系统,碳纳米管等,他们的尺度虽然在微米量级,但是某一维度处于纳米量级,在一定的条件下能显示出量子效应。另外,一些生物大分子,比如DNA、RNA和蛋白质分子,在一定条件下也具有量子效应。这些纳米材料,在介于100纳米与数微米之间,或者更高尺度上,又可以被当作新的基础材料。由这些纳米基础材料,两两组装或者多个互相组装,可以构成新颖的人工复合材料。在这些新的复合材料中,会显示出不同于单个纳米材料的新的光学、电学、磁学和生物学效应,在新能源、医学、医药等领域,具有重要的应用价值。此外,这些新颖的人工复合材料尺度介于微观与宏观之间,将会表现出介于量子力学和经典力学之间的物理现象,从而将会架起量子力学和经典力学之间的桥梁,可以使人们深入了解经典力学到量子力学之间的过渡效应,验证量子力学中的假设和推断,深入了解物理本质。因此,人工复合材料成为目前的研究热点。在本文中,我们研究了量子点、金属纳米颗粒和纳米机械复合系统中的相干光谱、三阶Kerr效应,探讨了新颖纳米复合材料的特性,也将量子光学的研究推进到多种纳米材料的复合系统中。此外,我们研究了量子点和金属纳米颗粒相互作用系统中的拉曼光谱,引入声子与等离子的相互作用。前面的这些研究中,我们都使用的是半经典的方法,在此之后,我们又使用了全量子的方法,用腔相互作用来描述等离子体的作用,研究了量子点和金属颗粒相互耦合系统中的相干光谱和慢光效应,并对比了研究等离子相互作用的半经典的局域场作用和全量子描述下的不同结果,发现全量子语言描述下的结果更符合实验结果。最后,我们研究了竖直耦合自组装量子点中的负折射效应,创新性地将对负折射的研究引入到半导体量子点系统中。本论文各章节的内容安排如下:在第一章中,介绍了量子点、金属纳米颗粒和纳米机械系统的各种制作方法和它们的一些基本性质。并介绍了一些常见的人工复合纳米材料以及在这些纳米材料之上的一些研究进展。最后,介绍了本论文中涉及的各种量子光学效应的物理内涵。在第二章中,研究了量子点、金属纳米颗粒和纳米机械复合系统的相干光谱。在该系统中,金属纳米颗粒被悬挂在进场光学扫描显微镜的悬臂上,以精确控制量子点和金属纳米颗粒的间距。量子点被当为一个二能级系统,金属纳米颗粒表面的等离子体被当做局域场处理。纳米机械振子和量子点相互作用使得控制光的吸收峰产生一个负的吸收峰和一个正的吸收峰。等离子体会增强吸收峰,使得正负的吸收峰出现四个数量级的增强。并且这种增强可以由量子点和金属颗粒之间的距离连续调控。随着吸收峰的增强,峰的宽度变窄。这些性质使得该复合系统可以被应用到生物传感器或者被用来制造拉曼激光器。在第三章中,研究了量子点、金属纳米颗粒和纳米机械复合系统中的三阶非线性Kerr效应。由量子点和金属纳米颗粒组合成的复合原子被整体嵌入纳米机械振子之中。纳米机械振子与量子点的耦合会诱导产生三阶非线性Kerr效应,金属颗粒产生的等离子体进一步增强这种非线性效应。这种增强效应也可以被量子点和金属颗粒之间的间距连续调控。并且在某一个间距上改变控制光的强度,Kerr效应也会改变。在某一个控制光的强度下,Kerr系数的改变比较缓慢,超过该值以后,Kerr系数会迅速增强。我们还对比了我们的系统和本征硅及其他纳米复合系统中Kerr效应的增强结果,发现我们的系统具有很强的优势。我们还发现,系统中的Kerr系数可以受到控制光的调制,得到一个类似二极管的功率曲线。这些结果表明,我们的系统可以被用来制作Kerr器件。在第四章中,研究了量子点和金属纳米颗粒相互耦合系统中的类拉曼光谱效应。在该系统中,量子点被当做一个二能级系统来处理,并且我们考虑了量子点中的声子对系统的影响。由于声子与量子点的作用,会在量子点的吸收峰上诱导产生出一个正的吸收峰和负的吸收峰。金属纳米颗粒表面产生的等离子会增强正负吸收峰。这种表面等离子增强拉曼散射效应将有可能在生物,医学等领域有重要的应用价值。在第五章中,研究了量子点与金属纳米颗粒耦合系统中的慢光效应。不同于前面几章的讨论,我们采用了全量子化语言来描述该系统,即用腔相互作用来描述激子与等离子体的相互作用。在等离子的作用下量子点的吸收峰会产生双峰结构,该结果与实验描述近似。但不同于普通腔相互作用的是,吸收峰上会诱导产生一个尖锐的峰。在该峰的位置,会产生较大的慢光群速度。我们还将量子化语言描述的结果与一般半经典描述计算得到的结果做了相应的比较,并给出了腔近似下的量子语言描述下的讨论结果更加符合实验结果的结论。在第六章中,研究了竖直耦合自组装量子点系统中的负折射效应。量子点系统由两层大小不同的量子点耦合在一起组成,电子可以在上下两侧量子点之间隧穿。我们把两层量子点当做一个Λ型三能级系统来考虑。我们用外电压来调控量子点之间的隧穿。当改变外电压时,介质的折射率会从正到负连续改变。并且在取得较大的负折射的同时,介质具有较小的吸收率。第七章提供本文主要结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景介绍
• 1.2 各种纳米材料的制作工艺和物理性质
• 1.2.1 半导体量子点
• 1.2.2 金属纳米颗粒
• 1.2.3 纳米机械振子
• 1.3 各种人工复合纳米材料概览
• 1.4 各种光学效应的介绍
• 1.4.1 拉曼散射
• 1.4.2 三阶Kerr非线性效应
• 1.4.3 慢光效应
• 1.4.4 负折射效应
• 1.5 本章小结及论文结构
• 1.5.1 本章小结
• 1.5.2 论文结构
• 参考文献
• 第二章 量子点、金属纳米颗粒和纳米机械振子复合系统中的相干光谱
• 2.1 引言
• 2.2 模型与计算
• 2.3 数据与讨论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 量子点、金属纳米颗粒和纳米机械振子复合系统中的Kerr效应
• 3.1 引言
• 3.2 模型与计算
• 3.3 数据与讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 量子点和金属纳米颗粒复合系统中的拉曼光谱
• 4.1 引言
• 4.2 模型与计算
• 4.3 数据与讨论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 全量子描述下量子点与金属纳米颗粒复合系统的中的慢光效应
• 5.1 引言
• 5.2 模型与计算
• 5.3 数据与讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 竖直耦合自组装量子点中的负折射
• 6.1 引言
• 6.2 模型与计算
• 6.3 数据与讨论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 附录A Hamiltonian 旋转变换过程
• 附录B 半经典方程组推导九个系数方程组
• 附录C 量子点、金属纳米颗粒与纳米机械振子复合系统一阶极化率的推导
• 参考文献
• 附录D 量子点、金属纳米颗粒与纳米机械振子复合系统三阶极化率的推导
• 参考文献
• 插图索引
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 答辩决议书
• 上海交通大学博士学位论文答辩决议书