【摘要】：量子點(diǎn)是一種人工合成的特殊的材料,在其內(nèi)部電子自旋會受到強(qiáng)烈的束縛,從而形成離散的軌道能級,與自然界中的原子十分類似。其內(nèi)部的電子自旋具有良好的相干性,可以作為量子比特或者邏輯門,這在自旋電子學(xué),量子信息和功能材料領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。然而限制其實(shí)際應(yīng)用的最大阻礙是電子自旋在環(huán)境的干擾下會快速地退相干,從而導(dǎo)致量子信息的丟失。因此尋找那些能在環(huán)境的干擾下保持相干性的電子自旋是十分重要的研究課題。半導(dǎo)體量子點(diǎn)中錳離子內(nèi)的電子自旋,其波函數(shù)具有非常強(qiáng)的局域性,因此其相干性很難受到周圍核自旋的干擾;而拓?fù)浣^緣體中處于邊緣態(tài)的電子自旋,由于其波函數(shù)集中分布在量子點(diǎn)的邊緣,且具有對稱性的保護(hù),因此其能在外加電場下保持穩(wěn)定。以上兩種材料中的電子自旋擁有出色的穩(wěn)定性,因此十分有潛力應(yīng)用于未來的量子設(shè)備中。在本文中,我們主要研究了半導(dǎo)體量子點(diǎn)中的錳自旋以及拓?fù)浣^緣體量子點(diǎn)中的邊緣態(tài)的穩(wěn)定性。所謂的穩(wěn)定性就是在外界干擾下能保持相干性,我們首先介紹了退相干和量子點(diǎn)的相關(guān)理論基礎(chǔ),接著我們詳細(xì)介紹了我們關(guān)于半導(dǎo)體量子點(diǎn)中錳自旋以及拓?fù)浣^緣體量子點(diǎn)中的邊緣態(tài)的研究,最后進(jìn)行了總結(jié)與展望。全文共分五個章節(jié):在第一章中,我們簡單介紹了本文的研究對象即量子點(diǎn)中的電子自旋及其退相干的理論基礎(chǔ)。在第二章中,我們主要研究了半導(dǎo)體中錳自旋的純退相(退相干的機(jī)制之一)。首先我們建立了二能級模型來描述量子點(diǎn)中錳自旋純退相的物理圖像,并提供了解析推導(dǎo)和數(shù)值計算的方法。然后我們詳細(xì)分析計算了各種原因下導(dǎo)致的錳自旋純退相的速率,從而提供了抑制錳自旋純退相的方法。其中最重要的方法是添加面內(nèi)電場來操控半導(dǎo)體內(nèi)電子的波函數(shù)從而抑制純退相。最后我們分析了低溫時周圍核自旋對錳自旋純退相的影響。在第三章中,我們主要利用基展開法數(shù)值計算了二維拓?fù)浣^緣體量子態(tài)的能量和波函數(shù),并且將能量與外加電場的導(dǎo)數(shù)定義為靈敏度來描述其對外電場干擾的穩(wěn)定性。然而由于基函數(shù)展開法精度的局限性,我們只討論了半徑較小的量子點(diǎn)的情形。在第四章中,為了改進(jìn)第三章工作的不足,我們引入模式匹配法,得到了半解析形式的能量和波函數(shù)。在此基礎(chǔ)上,我們詳細(xì)地討論了二維拓?fù)浣^緣體邊緣態(tài)的對稱性和穩(wěn)定性。包括分析邊緣態(tài)的能級等間距,帶隙中存在邊緣態(tài)的條件以及量子點(diǎn)的參數(shù)對穩(wěn)定性的影響。在第五章中,我們總結(jié)了前文的研究,并對未來的工作進(jìn)行了展望。
【圖文】：

圖１．１：電子自旋在沿ｚ軸磁場下量子化。（ａ）用布洛赫波矢來描述一個普通的逡逑純態(tài)，（ｂ）電子自旋在磁場下的演化，可以用一個布洛赫波矢的進(jìn)動來描述。逡逑源自［９８］。逡逑的量子相干性，從而產(chǎn)生一系列非經(jīng)典的現(xiàn)象，如干涉和量子糾纏。如果將該逡逑系統(tǒng)置于實(shí)際的環(huán)境中，其與環(huán)境的相互作用會使得相干性消失，這個過程被逡逑稱為退相干。顯然抑制退相干就能夠提高量子態(tài)的穩(wěn)定性。然而環(huán)境所導(dǎo)致的逡逑退相干存在多種機(jī)制，，我們必須清楚各種機(jī)制的原理才能采用對應(yīng)的手段來抑逡逑制退相干。詳細(xì)的討論可見文獻(xiàn)丨９８］。逡逑１．２．１物理模型逡逑為了研宄退相干的機(jī)制，我們考慮一個模型。該模型由一個處于中心的子自旋，自旋周圍納米尺度的自旋庫，以及外部環(huán)境組成。該中心電子自旋處逡逑于一個沿ｚ軸方向的外磁場下，其演化遵循塞曼哈密頓量逡逑

其中ｐ帶分裂為Ｊ邋＝邋３／２帶（ｒ８）和Ｊ邋＝邋ｌ／２帶（ｒ７）。ＣｄＴｅ與ＨｇＴｅ材料存在十分逡逑巨大的差異：ｃｄＴｄ0ｒ８帶位于ｒ６帶之下，與普通的ＩＩＩ－Ｖ族半導(dǎo)體一樣帶隙為逡逑正；而帶位于ｒ６帶之上，與ＣｄＴｅ及普通的ＩＩＩ－Ｖ族半導(dǎo)體恰好相反，逡逑帶隙為負(fù)，被稱為反轉(zhuǎn)帶隙。當(dāng)ＨｇＴｅ和ＣｄＴｅ材料組成量子點(diǎn)時，ＨｇＴｅ層為勢逡逑阱，ＣｄＴｅ層則為勢壘。若勢阱的厚度很小，整個量子阱的體能帶與ＣｄＴｅ材料逡逑相似，即具有心特性的玢帶位于具有ｒ８特性的帶上方。此時整個量子阱的體逡逑能帶帶隙為正，稱為正常帶隙，因此該量子阱為普通絕緣體。當(dāng)勢阱的厚度大逡逑于臨界值（大約６．３ｎｍ）時，該量子阱的能帶結(jié)構(gòu)與ＨｇＴｅ材料類似，即具有］＂６特逡逑性的玢帶位于具有ｒ８特性的帶下方。此時整個量子阱的體能帶帶隙為負(fù)值，逡逑為反轉(zhuǎn)帶隙，而該量子阱即為典型的拓?fù)浣^緣體量子點(diǎn)。逡逑１．４論文結(jié)構(gòu)安排逡逑第二章主要介紹了半導(dǎo)體量子點(diǎn)中錳自旋的純退相過程。我們研宄的主要逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O471.1

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本文編號：2703205