微腔—量子点强耦合体系中的腔量子电动力学与调控

论文摘要

腔量子电动力学主要研究在微腔中光与物质的相互作用,是量子力学的一个重要部分。由于光与物质相互作用可提供光子与电子/激子的量子界面,从而进行能量与信息的交换,因此腔量子电动力学是量子信息的核心部分。半导体量子点是长寿命的固态量子光源,并且不需要复杂的固定方式就能够嵌入半导体材料。同时,光子晶体微腔具有高品质因子与小模式体积的优点,并且不同的光子晶体微腔能够通过光子晶体波导进行耦合。因此,光子晶体微腔-量子点系统是理想的固态量子信息载体,在实现片上集成的量子光学网络等方面有着广泛的应用前景。然而,由于腔-点系统的制备过程复杂,需要的加工精度较高,国内在这一领域的研究尚属空白。并且,目前国际上对于腔-点系统的研究,主要集中在量子点基态的单个激子上。通常量子点的基态波函数较小,与微腔的耦合可以用简单的偶极近似来分析。这样的系统耦合强度通常较小,只有一个光子参与耦合过程,并且由于固态系统的特性,腔-点系统难以调控。这些不足之处很大程度上限制了腔-点系统的进一步发展。通过数年的努力,我们成功制备出高品质因子的光子晶体微腔,并实现了微腔-量子点强耦合系统,填补国内在该领域的空白。光子晶体的制备需要电子束曝光、电感耦合等离子体刻蚀等先进工艺。曝光强度、刻蚀速度不仅受到设定参数影响,同时也与室内温度、腔体氛围等环境因素有关。因此,我们在每次制备时都优化参数,达到了较好的制备效果。同时,光子晶体的表征超出了普通光学显微镜的精度范围,需要使用电子显微镜才能观测。在不断的尝试和探索之后,我们熟练掌握了各种设备的使用,总结出参数的优化方法。我们最终成功制备出高品质光子晶体微腔,达到了国际水平,为实现微腔-量子点强耦合系统奠定了基础。此外,针对国际上研究集中于基态单激子的局限性,我们重点研究了了复杂体系下的腔-点系统。我们首先研究了微腔-双激子系统及其双光子过程。单个量子点即含有激子态与双激子态,可以作为双光子源。然而,由于量子点的双激子束缚能较大,往往远大于量子点与微腔的单光子耦合强度,因此微腔与双激子态之间的双光子耦合非常小。我们通过选取较大尺寸的量子点,减小了双激子束缚能,增大了微腔与量子点之间的耦合强度。最后,我们实现了单光子耦合强度约为双激子束缚能一半的微腔-双激子强耦合系统,观察并论证了其中的双光子拉比劈裂,将该系统由单光子过程推向多光子过程。除了微腔-双激子系统之外,我们首次提出并证实了微腔-量子点激发态耦合系统。量子点的激发态波函数扩展远大于基态,因此其与微腔的耦合处于非偶极近似下。因此,当磁场使得波函数收缩之时,微腔-量子点激发态的耦合强度会上升,这与之前基态的实验结果相反。通过磁场的调控,我们实现了210μeV的耦合强度,这是目前微腔-量子点系统的最大值。通过微腔-量子点激发态耦合系统,我们极大地提升了耦合强度和可控性,解决了之前微腔-量子点基态系统中的一些缺点,同时保留了长寿命与可集成性的优点。这些研究成果将在量子光学网络中起到重要的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 腔量子电动力学与量子光学网络
•   1.2 光子晶体
•   1.3 二维平板光子晶体的能带结构
•   1.4 量子点的能级与性质
•   1.5 腔-点体系中的基本电动力学模型
•   1.6 本章小结
• 第2章 二维光子晶体微腔的设计与优化
•   2.1 平面波展开法
•   2.2 时域有限差分（FDTD）算法
•   2.3 L3 型光子晶体微腔的特点
•   2.4 L3 型光子晶体微腔的设计优化
•   2.5 本章小结
• 第3章 高品质微腔的制备
•   3.1 设备介绍
•     3.1.1 电子束曝光EBL
•     3.1.2 电感耦合等离子体刻蚀
•     3.1.3 电子显微镜SEM
•     3.1.4 划片机
•     3.1.5 匀胶机和热板
•     3.1.6 超声波清洗机
•     3.1.7 光学显微镜
•     3.1.8 台阶仪
•   3.2 光子晶体微腔制备流程
•   3.3 高品质光子晶体微腔
•   3.4 本章小结
• 第4章 双光子拉比劈裂
•   4.1 双激子与双光子过程
•   4.2 单光子耦合强度与双光子拉比劈裂的阈值
•   4.3 强耦合的观测与双激子的特征
•   4.4 双光子拉比劈裂的实验论证
•   4.5 本章小结
• 第5章 非偶极近似下的腔-点耦合增益与调控
•   5.1 偶极近似的适用范围
•   5.2 非偶极近似下耦合强度与量子点尺寸的关系
•   5.3 量子点不同能级的波函数
•   5.4 磁场作用下量子点波函数的收缩
•   5.5 非偶极近似下耦合强度与磁场的关系
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 个人简历及发表文章目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 钱琛江

导师: 许秀来

关键词: 光子晶体微腔,量子点,腔量子电动力学,强耦合

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

基金: 感谢973计划No.2014CB921003,No.2016YFA0200400,国家自然科学基金委 No.11721404,No.51761145104,No.61675228,No.61390503,中科院战略重点研究项目No.XDB07030200,No.XDPB0803,No.XDB28000000,No.XDB07020200,中科院前沿科学重点研究计划项目No.QYZDJ-SSWSLH042,中国科学院科研装备研制项目No.YJKYYQ20180036,中国科学院创新交叉团队

分类号: O413.1

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