微納尺度光力學系統(tǒng)中的量子光學特性及其在光學探測上的應用.pdf

1、馬約拉納費米子是一種奇異的粒子，它的反粒子是其本身。研究者預測中微子可能是馬約拉納費米子。幾十年來，粒子物理學家們一直在尋找馬約拉納費米子，但目前仍然沒有確鑿的證據(jù)證明這個預測。最近，研究者在凝聚態(tài)系統(tǒng)中觀測到了馬約拉納費米子的跡象，這引起了人們的廣泛關注。在一定的磁場條件下，復合半導體納米線/超導體異質結系統(tǒng)中納米線的兩端會出現(xiàn)一對馬約拉納費米子。由于馬約拉納費米子遵守非阿貝爾統(tǒng)計，因此它們有可能應用于拓撲量子計算。然而最近的研究發(fā)現(xiàn)

2、其它的一些物理機制，比如近藤效應、納米線的彎曲與混亂都會引起類似馬約拉納費米子的跡象。此外，目前大部分探測馬約拉納費米子的方法多是基于電學測量。因此，為了得到馬約拉納費米子的確鑿證據(jù)，其它的探測方案或者提議的提出對探測和證明馬約拉納費米子是很有必要的。我們提出一種全光學的方法來探測馬約拉納費米子。
　　近年來，得益于當今納米科學技術的進步，各種各樣的納米結構，比如半導體納米量子點、半導體納米量子線、金屬納米顆粒、納米超導材料、納米

3、尺度的光學腔等納米結構的成功制備，為微納尺度的量子光學探測提供了一個良好的媒介。與此同時，光的輻射壓力現(xiàn)象也因此能被觀測到，為光力學系統(tǒng)的研究打開了一扇新的研究之門。此外，層狀材料結構比如石墨烯、碳納米管和二硫化鉬材料，由于其超輕質量、超高品質因子、超高的機械頻率以及本征的小尺度特性，它們被認為是制造納米機械振子的理想材料。本論文中，基于光學pump-probe技術，我們呈現(xiàn)出一種全光學探測新奇物理現(xiàn)象的方法，全文共分為以下六個章節(jié)：<

4、br>　　第一章是緒論。我們首先引入半導體量子點和金屬納米顆粒這兩種納米材料的基本知識；簡要介紹了它們的各種制備方法以及在各領域中的應用。接著介紹了在復合的半導體納米線/超導體異質結這個系統(tǒng)中觀測到了馬約拉納費米子跡象，并且介紹了最近兩三年中在凝聚態(tài)系統(tǒng)中尋找馬約拉納費米子的幾個重要的實驗。隨后，我們對層狀材料，比如石墨烯、碳納米管和二硫化鉬材料做了介紹，并對二硫化鉬材料的制備以及將來可能的應用做了詳細的闡述。其次，簡述了復合的納米機械

5、系統(tǒng)(比如量子點與納米機械振子的耦合)和光力學系統(tǒng)(回音壁模式光力學系統(tǒng))。最后，引入一種光學pump-probe探測技術。
　　在第二章中，我們提出一種全光學的方案來探測凝聚態(tài)物理系統(tǒng)中的奇異的粒子—馬約拉納費米子。半導體量子點作為一個二能級系統(tǒng)提供了一個良好的媒介來探測馬約拉納費米子。當半導體量子點與復合半導體納米線/超導體異質結中的馬約拉納費米子相耦合時，通過把光學pump-probe技術作用到半導體量子點上，便可以通過量子

6、點的探測吸收譜或非線性克爾譜觀測到馬約拉納費米子的跡象。我們進一步用量子點與金屬納米顆粒組成的復合結構來探測馬約拉納費米子。金屬納米顆粒表面產(chǎn)生的等離子體將會增強量子點的光學效應，使得馬約拉納費米子較容易被探測到。當我們把一個量子點植入到一個納米機械振子中，納米機械振子的振動將會增強量子點的非線性光學效應，也將會使得馬約拉納費米子更容易被探測到，并且這種非線性探測方案可能對探測噪聲免疫。與量子點相比，單電子自旋可以看成一個純的二能級系統(tǒng)

7、，因此單電子自旋可以看做是一個靈敏的探針。我們考慮把單電子自旋植入到懸浮的碳納米管中，通過單電子自旋來探測馬約拉納費米子。通過這個方案，可以測得單電子自旋與馬約拉納費米子之間的耦合強度。碳納米管的振動表現(xiàn)出一個聲子腔的行為，使得馬約拉納費米子更靈敏地被探知。我們的全光學方案提供了另一種探測馬約拉納費米子的方法，這也為增強對馬約拉納費米子的操控和實現(xiàn)基于馬約拉納費米子的量子信息處理方面的應用打開了一扇大門。
　　在第三章中，我們提出

8、一個基于懸浮在Si/SiO2基底上的平板狀圓形單層二硫化鉬納米光機械系統(tǒng)。研究了系統(tǒng)中的線性和非線性光學特性，提出一個測量系統(tǒng)中聲子與激子的耦合強度的光學方法，證明了系統(tǒng)中的聲子誘導透明現(xiàn)象。通過控制pump場的強度，單層二硫化鉬機械振子表現(xiàn)出一個光學晶體管。調查了該系統(tǒng)中的非線性光學效應，研究了一些參數(shù)對光學克爾效應的影響。同時提出了一種測量機械振子振動頻率的非線性光學方案。與此同時，我們進一步提出一種非線性光學質量傳感方案。通過測量

9、非線性光學譜線中的共振頻移，便可測出沉積在二硫化鉬振子表面上的額外質量(比如流感病毒和HIV病毒)。單層二硫化鉬納米機械振子系統(tǒng)將會在量子信息處理和全光學芯片尺度二硫化鉬基于的器件上有著潛在的應用。
　　在第四章中，我們提出了兩種納米機械振子系統(tǒng)：碳納米管機械振子系統(tǒng)和鋸齒狀石墨烯納米帶機械振子系統(tǒng)，并對這兩個系統(tǒng)進行比較。首先，基于兩邊夾緊懸浮的碳納米管機械振子，提出一個非線性光學質量傳感方案。通過測量非線性光學譜中振子的共振頻

10、移，便能直接測得沉積在碳納米管振子上的額外粒子(如一氧化氮分子)的質量。為了和碳納米管作比較，我們進一步提出一個基于鋸齒形石墨烯納米帶的非線性質量傳感方案。由于石墨烯的超輕質量特性，單個納米粒子的質量(如二氧化氮和氨氣分子)也可由石墨烯納米帶機械振子測出。非線性光學質量傳感方案可能會對探測噪聲免疫，這將會提高探測的靈敏度。我們同時在石墨烯納米帶機械振子系統(tǒng)中研究了的聲子誘導透明、電磁誘導吸收，參數(shù)放大現(xiàn)象、以及非線性光學克爾效應。這種基

11、于碳納米管和石墨烯納米帶的機械振子系統(tǒng)將有可能應用于量子測量、化學檢測、環(huán)境監(jiān)測上和全光學器件上(如光學三極管)。
　　第五章中，在微波段，首先基于雙層石墨烯系統(tǒng)，我們設計一個石墨烯納米振子與微波腔耦合的光機械系統(tǒng)。在紅邊帶條件下，證實了系統(tǒng)中的光機械誘導透明現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯-微波腔光機械系統(tǒng)中，慢光現(xiàn)象的數(shù)量級可以達到毫秒量級(光學腔中的慢光在納秒量級)。在藍邊帶條件下，研究了系統(tǒng)中的光機械誘導吸收現(xiàn)象和超快光現(xiàn)象。與此同時

12、，也研究了石墨烯光機械系統(tǒng)中的共振增強的四波混頻現(xiàn)象，提出一個測量石墨烯振子頻率的非線性光學方法。在光學頻段，我們研究了一個三模耦合光機械系統(tǒng)，其中兩個光學腔與一個機械模式相耦合，并且給出一個更為普遍的三模光機械系統(tǒng)。分別對兩個腔施加一個光學pump-probe技術，在不同參數(shù)機制下，在這個三模系統(tǒng)中我們得到了相干完美吸收和透射現(xiàn)象。當相干完美吸收產(chǎn)生時，輸入的探測場的能量將完全轉化為內腔場的能量和振子的內部相干振動，并且可以通過控制腔