局域表面等离激元-量子复合体系中量子干涉的理论研究

局域表面等离激元与量子发射体构成的复合体系具有比其单个子单元更丰富的性质和功能.本文从理论上研究了量子干涉效应对复合体系吸收和散射性质的影响以及对原子体系非线性效应的调控.首先,由于存在不同跃迁通道之间的干涉,体系支持暗表面等离激元诱导的无布居数反转增益和光强依赖的吸收谱效应.其次,结构开放性诱导的干涉使复合体系能够在纳米尺度、中等强度耦合下调控散射场的光子统计性质.最后,基于表面等离激元的各向异性珀塞尔系数,在纳米尺度演示了对于克尔非线性的调控.这些发现丰富了该复合体系的吸收和散射性质以及原子体系的非线性性质,并且有可能用于量子态制备、带通滤波器、折射率传感、光子统计调控、片上的全光非线性器件等方面.     

表面等离激元光学力研究进展

当一束光照射在物质上,光子与物质发生动量交换,部分动量转移到物质,等效于对物质产生作用力,称为光学力.这一作用力非常弱,一般在pN甚至更小的量级,但一定条件下,仍足以捕获和操纵纳米、微米尺度的物体.在金属纳米结构中,由于表面等离激元共振效应,诱导的局域电场可以产生增强的光学力,可以在亚波长尺度实现光操纵,并且由此衍生出一个极具吸引力的研究方向——表面等离激元光学力.本文介绍了利用金属纳米结构进行表面等离激元光学力操纵的最新研究进展.     

新型等离激元光学和过渡金属二硫化物复合体系

过渡金属二硫化物(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)以其优异的光电子学特性,在诸如光捕获、光电探测、光电晶体管、发光二极管以及纳米激光器等领域中展现出了强大的应用潜力,成为当前研究前沿热点之一.少层TMDs材料的带隙处于可见和近红外区间,其激子在室温下具有很大的束缚能、高谐振子强度,且单层TMDs由于空间反演对称性的破缺具有能谷选择的圆二色性等,这些特性使得TMDs材料格外引人注目.金属纳米结构的表面等离激元具有亚波长的光局域特性,可通过合理的结构设计实现对其共振波长、频谱宽度、近场增强倍数、远场辐射特性的灵活控制.将等离激元光学结构和过渡金属二硫化物相结合可大幅拓宽纳米光子学前沿基础问题研究与纳米光电器件的设计应用.本文综述了表面等离激元和TMDs材料复合体系的最新研究进展,着重阐述了为何这类复合体系能够提供他们各自体系所不能具有的特性.比如,表面等离激元的近场增强(场局域)效应可极大增强许多纳米光学系统中的光与物质相互作用强度,可用于对TMDs材料的光吸收、光发射、光电流以及非线性光学等过程进行调制. TMDs材料具备的受外界环境调控的强激子效应和能谷选择的圆二色性等特性,可为表面等离激元纳米结构提供丰富的主动调制手段与能谷自由度.最后展望了该新型复合体系未来的研究方向和机遇.     

基于等离激元超表面的径向和角向偏振矢量光束的产生

为满足信息大容量和快速传输处理的需求,小型平面化集成光学器件正逐渐代替传统的大体积折射器件,可在亚波长尺度进行光波操控的超表面结构为微纳光子学器件设计和相关物理现象的研究提供了全新途径.该文设计了一种由正交纳米缝对组成的表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)超表面,实现了径向和角向偏振矢量涡旋光束的产生.利用惠更斯-菲涅尔原理从理论上推导出螺旋超表面中心区域的表面等离激元光场表达式,并利用时域有限差分法(FDTD)进行了模拟计算.实验搭建显微成像系统采集的SPP光强分布图样与FDTD模拟和理论计算结果吻合得很好,验证了利用该超表面获得径向和角向矢量涡旋光束的可行性.     

石墨烯微米带THz SPPs的激发及场分布特性研究

表面等离激元可以突破衍射极限,具有强局域性,在传感、起偏、吸收、分束等方面具有广泛的应用前景.目前,太赫兹波段的表面等离激元器件研究大多是在远场光谱方面,其近场特性的研究有待更进一步深入.本文基于石墨烯微米带结构,研究了太赫兹表面等离激元的激发及场分布特性.本文设计了能够通过太赫兹波激发表面等离激元的石墨烯微米带结构,数值计算了其表面等离激元的场分布,并制备了石墨烯微米带器件,利用透射式太赫兹近场显微镜激发并测量了石墨烯微米带的表面等离激元,对共振失谐对等离激元场分布的影响进行了探究.研究结果为石墨烯表面等离激元器件在太赫兹生物传感、安全检测、高数据率通信等方面的应用提供了相关指导.     

共振金属纳米天线近场区域单分子荧光增益性质的研究

从理论上研究了发生表面等离激元共振时, 银纳米天线对其周围近场区域单分子荧光性质的影响。最优的荧光增益效果在电场增益率和弛豫系数变化率的比值(即优化系数)较大时发生。通过对优化系数的计算, 发现当荧光分子的偶极矩与入射光偏振相同时, 并且在距离纳米天线30～100 nm的近场区域内, 荧光增益效果最佳。讨论了不同偏振方向荧光分子在天线周围不同距离、不同方向的平面以及入射波长变化时对于荧光性质的影响, 可以为金属纳米天线调控荧光行为的实验给予指导。     

表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的应用

金属中大量自由电子可以与电磁波耦合在金属表面形成表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP),能够将光辐射能量有效耦合并束缚在金属表面,在近场范围内形成显著的场增强效应.基于金属周期性结构形成的表面等离激元光栅在利用近场场增强效应的同时,可以灵活设计共振波长,因而在高灵敏红外探测器研发中得到广泛应用.采用半导体双量子阱(Quantum Well, QW)结构的电荷敏感型红外光晶体管探测器(Charge Sensitive Infrared Phototransistor, CSIP)是一种新型的高灵敏度红外探测器,它利用光敏浮栅(Photo-Gating)效应实现红外光电转换过程的倍增效应,因而具有波长可调、灵敏度高、光响应率高等优点.本文综述了表面等离激元光栅在CSIP红外探测器件中的设计和应用的研究进展,阐述金属孔阵列光栅的光耦合物理机制和场增强效果、偏振转换效率等特性,通过设计优化的表面等离激元耦合结构,提升CSIP器件光耦合量子效率,然后阐述了CSIP红外光探测器的生长结构、工艺流程,结合荧光谱测试、电流-电压(Current-Voltage, I-V)测试、慢步进扫描光谱测试等技术展示CSIP红外光探测器光电探测性能.最后进一步展望了SPP耦合CSIP高灵敏红外探测器的未来发展和应用研究趋势.     

基于纳米颗粒阵列与法布里-珀罗干涉结构的超灵敏传感器设计

当前的等离激元传感主要基于表面等离极化激元和局域表面等离激元共振两种模式.然而基于表面等离极化激元的传感需要精确的入射角度及多种光学元器件的配合方能使用;而基于局域表面等离激元共振的传感由于共振线宽较宽导致其灵敏度和品质因数(figure of merit,FOM)不够高.设计了一种基于纳米颗粒/间隔层/反射层结构的具有超高灵敏度和FOM的折射率传感器.由于表面等离激元晶格模式与局域表面等离激元共振以及法布里-珀罗干涉的相互作用,器件的反射光谱具有一个超窄反射峰.利用这个反射峰实现传感,其灵敏度达到500 nm/RIU,FOM达到625.进一步分析表明,此传感器在不同结构与激发参数下都具有很好的传感灵敏度.该研究结果对高灵敏等离激元传感器设计具有重要参考意义.     

环形石墨烯纳米结构的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了环形石墨烯纳米结构的等离激元激发.在低能共振区,和同尺度大小的石墨烯纳米结构相比,环形石墨烯纳米结构光谱的主要吸收峰发生了红移;体系中有两种主要的等离激元共振模式:低能成键模式和高能反键模式.此外,环形石墨烯纳米结构的等离激元激发对体系尺度的大小也有一定的依赖性.     

基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换

作为人工微纳结构与光热转换的融合,太阳能光蒸汽转换成为近年来太阳能热利用领域的研究热点之一.基于人工微纳结构的等离激元吸收体,能够在整个太阳光谱范围内实现高效的光子捕获.等离激元吸收体表面和内部的光致局域加热,促成了高效的液气相变.与碳基吸收体相比,等离激元吸收体不但可将入射太阳光局域在亚波长尺度内,形成致密的热点,而且其吸收光谱可灵活调控.围绕等离激元吸收体的光蒸汽转换体系,还具有热响应快、材料抗腐蚀、可回收等优势,可用于海水淡化、污水处理、灭菌消毒等水处理领域.本文从光吸收和热局域两个角度阐述了等离激元光蒸汽转换系统的设计与优化,并对其应用前景作了展望.     

纳米双栅MOSFETs的量子格林函数模拟

采用一种量子动力学模型研究纳米MOSFET(场效应管)电流特性.该模型基于二维NEGF(非平衡格林函数)方程和Poisson方程自洽全量子数值解.使用该方法研究了纳米双栅MOSFET结构尺寸对电流特性的影响.模拟结果显示:越细长的沟道,器件的短沟效应越弱,器件的亚阈值斜率随栅氧化层增厚而加大.另外,通过分析器件不同区域的散射自能效应,得出减缓纳米双栅MOSFET电流性能下降的途径.所用模型具有概念清晰,求解稳定等特点.作为多体量子模型,本方法可应用于一维量子线及量子点阵列所构成的纳米器件,并有望在纳米MOSFET器件设计中得以应用.     

半导体量子阱中电子朗道能级的共振分裂和钉扎行为

本文采用改进的Ｗｉｇｎｅｒ－Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ微扰理论，研究了束缚于半导体量子阱中电子共振谱的分裂．考虑到晶格振动的各种光学极化模，解释了电子共振谱在横光学声子频率附近的这种“奇异”的分裂和钉扎行为．计算了跃迁频率对磁场强度的依赖性．理论结果和他人的实验数据进行了比较．最后指出，这种共振分裂和钉扎行为是量子阱中电子和界面声子相互作用的结果．     

加载对色散吸收介质光腔量子性质的影响

利用系统经典格林函数和正则量子理论,对色散吸收介质中电磁场量子化;借此着重研究加载对色散吸收 介质光腔系统量子性质的影响.结果表明:介质加载使光腔系统谐振频率低向漂移,同时改变该系统真空场起伏功 率谱的空间分布.     

各向异性与量子点平衡形态及应变分布

向异性对于半导体量点光学和电学性能有较大影响.本文基于向异性弹性理论的有限元方法,研究了金字塔组织生长半导体量点平衡态与应变分随外延材料向异性系数的变化规律,讨论了向异性系数与应变弛豫的关系,出了同向异性系数的量点体系平衡态及其应力、应变、静水应变及双轴应变分等.结果可作为进一研究量点光电性能及制备量点的理论参考.     

利用腔QED实现非常规几何量子相位门

提出一个基于压缩算符的非常规几何量子相位门的方案.在腔QED系统中,在强共振经典场驱动下,利用两个三能级原子与腔模的双光子相互作用,研究了两量子比特非常规几何量子相位门,发现它与腔模占有数有关,当腔模初始时处于真空态,这个方案对腔模衰变不敏感.     

激光自再现模的物理学本性探讨

分析了在激光形成过程中,谐振腔内光振荡产生的激光模式原因.使用积分方程对激光光场分布进行分析,解释其基本的物理意义;并使用不确定度的量子方法解释激光光斑形成的本因,为激光器输选模方法提供了指导.     

Bernstein-Vazirani算法的腔QED实现

基于阶梯形三能级原子与经典和量子腔场之间的共振相互作用,提出了一个在腔量子电动力学系统中实现Bernstein-Vazirani算法的方案.     

拓扑绝缘体与低维超导体的电输运特性

拓扑绝缘体这种具有新奇量子特性的物质和具有百余年研究历史的超导体都是当前凝聚态物理学领域的研究热点．本文简要介绍了拓扑绝缘体、超导体的研究背景和基本特性,重点回顾了拓扑绝缘体、超导薄膜及纳米桥、超导纳米线以及纳米尺度下拓扑绝缘体．超导异质结构的电输运特性．并对该领域的进一步发展做出了展望．     

Quantum tunnelling of the magnetization in a monolayer of oriented single-molecule magnets

A fundamental step towards atomic- or molecular-scale spintronic devices has recently been made by demonstrating that the spin of an individual atom deposited on a surface, or of a small paramagnetic molecule embedded in a nanojunction, can be externally controlled. An appealing next step is the extension of such a capability to the field of information storage, by taking advantage of the magnetic bistability and rich quantum behaviour of single-molecule magnets (SMMs). Recently, a proof of concept that the magnetic memory effect is retained when SMMs are chemically anchored to a metallic surface was provided. However, control of the nanoscale organization of these complex systems is required for SMMs to be integrated into molecular spintronic devices. Here we show that a preferential orientation of Fe(4) complexes on a gold surface can be achieved by chemical tailoring. As a result, the most striking quantum feature of SMMs-their stepped hysteresis loop, which results from resonant quantum tunnelling of the magnetization-can be clearly detected using synchrotron-based spectroscopic techniques. With the aid of multiple theoretical approaches, we relate the angular dependence of the quantum tunnelling resonances to the adsorption geometry, and demonstrate that molecules predominantly lie with their easy axes close to the surface normal. Our findings prove that the quantum spin dynamics can be observed in SMMs chemically grafted to surfaces, and offer a tool to reveal the organization of matter at the nanoscale.     

热腔条件下实现Deutsch-Jozsa算法的简单方案

基于热腔场与双原子相互作用系统,提出一种简单的Deutsch-Jozsa算法的实现方案.通过外加经典场可以消除腔场光子数的依赖,整个过程不需要在真空状态中保留热腔.此外,该方案中也不需要原子和腔场的大失谐,可以大大缩减操作时间.通过精确的数值计算,证明方案具有较高的保真度.