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1、摘 要I摘 要随着微纳米加工技术的发展，人们可以制备出量子点这样具有类似原子特征的“人造原子”，并且由于量子点具有可操控性，研究外加光场对量子点体系输运性质的影响受到人们的广泛关注。此前有关于在微观系统中光场相控制自旋相干转移的研究。受最近实验的激发，本文的工作是实现用驱动电磁场的相对相位对二能级量子点系统中自旋电流的调制。我们所用器件的优点是在不需要外加磁场和铁磁注入的情况下获得自旋电流，此外我们不需要将驱动磁场在空间上分开，这使得我们的系统在实验中更容易实现。关键字：关键字：量子点，自旋电流，相对相位。AbstractIIABSTRACTwith the development of mi
2、cro-nanofabrication, people can experimentally produce the quantum dots, which are also called artificial atoms and are analogous to the real atoms. Since the features of the quantum dots are controllable, the study of external influences on quantum dots becomesan important topic. We investigate the
3、 optical phase controlled spin coherent transport in a microscopic system. Motivated by recent experiments, the scheme is proposed to realize the manipulation of spin current in a two-level quantum dot system by modulating relative phase of the driving laser fields. The advantage of our system is th
4、at the spin current Is can be generated inabsence of magnetic field and ferromagnetic spin injection. Moreover, we neednt require that the driving laser fields must be separated in the space, which makes our system much more easier to be realized in experiments.Key Words: quantum dot, spin current,
5、optical phase.目 录III目 录第 1 章 引言 11.1选题背景1.2 研究目标和意义1.3 研究思路第 2 章 量子理论基础2.1 二能级原子动力学行为的密度矩阵描述2.1.1 不计及衰变时描述二能级原子的密度矩阵方程2.1.2 计及衰变效应时的密度矩阵方程2.2 描述与库场作用的二能级原子的主方程第 3 章 量子点23.1量子点概述3.2 量子点的两个基本特性3.2.1 量子点与原子3.2.2 库仑阻塞与单电子遂穿3.3 量子点点几个基本物理现象3.3.1 顺序遂穿3.3.2 Aharonov-Bohm 效应3.4 自旋电流第 4 章 二能级量子点系统34.1 模型提出4.
6、2 系统哈密顿量第 5 章 自旋电流5.1 遂穿率5.2 速率方程5.3 自旋电流第 6 章 相对相位控制自旋电流6.1 自旋电流与相对相位6.2 总电流与相对相位目 录IV6.3 自旋极化与相对相位结束语10参考文献 11致谢 12 3附录一：.13附录二：.13附录三：.1313414第 1 章 引言1第 1 章引言1.1 选题背景相干现象以及相干控制是量子力学重点研究的课题，其中相干相位扮演了重要角色1-3。在近20年中，光场相位对相干布局囚禁4和多能级原子系统中的相关物理现象的调制一直在量子光学领域中占据重要位置5,6。Buckle等人7首次指出在一个具有封闭相互作用“环”的三能级或四
7、能级系统中，改变驱动场的相对相位对临时或稳定的粒子布居数有重要影响。在固态系统中，输运性质通常被一个类似外部磁通量控制。例如，在AB环干涉仪中，由两个设备的两条路径干涉可以观察到与磁通量有关的电流8。然而作为一种重要的调制方法，光场相位在微观世界的应用被大多数人忽略。另一方面，随着微纳米加工技术的发展，人们可以制备出量子点这样具有类似原子特征的“人造原子”9,并且由于量子点具有可操控性，研究外加光场对量子点体系输运性质的影响受到人们的广泛关注。随时间演化的外场对量子点体系输运性质的影响受到了人们的广泛关注和研究，并且研究发现了很多有趣的现象，例如光子辅助隧穿，电荷或者自旋泵浦。在实验上，人们对
8、微波场中的耦合量子点的输运谱进行了测量。最近，人们把很多量子光学的概念运用到半导体电子学和自旋电子学中10。例如,狄克（Dicke）效应11,12、量子拍13,14、电磁诱导透明15,16、光学双稳17，等等被提出并且通过测量量子点体系的输运电流和噪声发现这些效应出现在量子点系统中。Sanchez18研究了在声子库中由外场激发的一个二能级量子点的共振荧光和散粒噪声，发现在不同的区域，电子和声子的Fano因子有不同的的超泊松和亚泊松分布组合。Brandes和Renzoni19提出了基于相干布居捕获的两个有隧穿耦合的量子点体系的输运机制，发现这个系统的相干布居捕获效应能用来控制量子点之间的退相干时
9、间，这可以作为一个灵敏可控的电流开关。Liao20研究了由外场驱动的不对称的双量子点体系中的电子隧穿效应。此外在半导体电子学中，自旋轨道耦合包括自旋分辨（spin-resolved）相位最近由于其在自旋电流激发中的应用而被广泛关注21-22。随着纳米技术的发展，第 1 章 引言2量子点通常被放在一个或者两个回路中来研究Fano效应及相干输运问题23-27.自从量子纠错编码被发现以后，固体物理学界的研究人员就一直希望利用半导体介观系统的自旋自由度来实现最终的量子计算机。由于自旋的量子力学属性，自旋电子学和通常的半导体电子学有着本质的区别，无论在实验上还是在理论上都极具有挑战性。经过多年的研究，自
10、旋电流的研究已经形成了一门新型科学。特别在如何形成自旋电流和自旋电流值的测量，已经有多种方法在实验和理论上都得以实现和证明。利用外加磁场和铁磁注入是产生自旋流的两种传统方式但是，一个大的磁场很难局域在量子点区域且不便于操作，而铁磁注入的效率还亟需提高所以，很多研究小组致力于用光学的方法在半导体材料中产生总自旋。基于大量对纳米材料以及自旋电流的研究，人们希望能找到更加容易控制和操作的相干相位源来代替磁场控制自旋电流。相比较来说，激光场在可控性，稳定性，精确性方面更能满足这一要求。更进一步，激光场的不同极化方向能够耦合不同电子自旋，这就为调控自旋转移特性提供了另一方法。1.2 研究目标和意义在量子
11、点体系中，相干相位通常是有外加磁场来控制的。从长远的应用来看，它的技术难题在于要将一个强磁场局限在一个纳米级的区域而不影响其他区域的物理特性。这是量子信息和量子计算发展的很大障碍。因此，人们希望能找到更加容易控制和操作的相干相位源来代替磁场。一个自然的想法是能否用激光场的相位来控制量子点系统的输运。本文研究的目标是：实现用相对相位对二能级量子点自旋电流的调控。1.3 研究思路本文我们先假设一种微观量子点系统，该系统的输运和噪声特性能够通过两激光场之间的相对相位有效控制。我们研究的系统是由一个二能级量子点在低温下与引线弱耦合而成。接着给出了二能级量子点系统的哈密顿量，定义系统主方程，由密度矩阵原
12、理得到一个量子速率方程组，通过计算机编程计算量子速率方程。再给出自旋电流及其极化定义式，分别讨论了极化强度和自旋电流的大小随光场相对相位的变化并用计算机模拟出其变化规律图。实现用两个激光场的相对第 1 章 引言3相位来控制一个二能级量子点体系的自旋电流。找到更加容易控制和操作的相干相位源来代替磁场来控制量子点。本文所用的系统是在较低温下由一个二能级量子点仓库和引线相结合，而仅仅通过调节光的偏振来控制体系的自旋输运性质。这个体系的电子输运主要由最低阶的顺序隧穿贡献，我们不需要驱动激光场在空间内隔开这使得我们的系统在实验中非常容易实现。第 1 章 引言4第 2 章量子理论基础本章将介绍光与原子的基
13、本理论以及小系统与库耦合行为的量子理论.首先介绍了二能级原子动力学行为的密度矩阵描述。接着推导出描述与库场作用的二能级原子的主方程。2.1 二能级原子动力学行为的密度矩阵描述本节在薛定谔绘景中,我们利用密度算符理论来讨论一个衰变二能级原子与经典场作用时的动力学行为。首先用密度算符理论来讨论一个无衰变的二能级( )E t原子与经典电磁场作用的情况，然后再讨论有衰变的二能级原子的情况。2.1.12.1.1不计及衰变时描述二能级原子的密度矩阵方程不计及衰变时描述二能级原子的密度矩阵方程在薛定谔绘景中，对于单个二能级原子系统，我们可以将 时刻的态函数t按其本征态矢集展开为：( ) t(2.1.1.1)
14、( )( )( )tC tC t 其中和分别表针 时刻原子处在其本征态,的概率幅。将态矢,( )C t( )C tt写成矩阵式：(2.1.1.2)1 0 0 1 则(2.1.1.1)式表示为：(2.1.1.3)( )( )( )C ttC t这样二能级原子的密度算符可以写成：第 1 章 引言5(2.1.1.4)( )( )( )C CC CtttC CC C 显然，矩阵元和分别表示 时刻原子处在本征态和的概率.t由于我们可以选择适当的相位因子使得原子处在方向的偶极矩等于零。yid这时对于与经典电磁场相互作用的无衰变二能级原子系统，其哈密顿量算符为：(2.1.1.5)031/ 2()rHdE h注意到算符,与本征态矢,之间满足的关系式：133 3 (2.1.1.6)1 1 将(2.1.1.3)和(2.1.1.5)式带入薛定谔方程：(2.1.1.7)( )( )itHtth并利用本征态矢，间的正交性，可得概率幅随时间的演化方程：(2.1.1.8)011()22iCCE CC(2.1.1.9)011()22iCCE CC这里定义为： (2.1.1.10)/ 2dh利用方程(2.1.1.8)和(2.1.1.9)式及其复共轭，可知 时
