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量子点光学性质的经验赝势计算

龚明  
【摘要】: 自组织量子点在量子点激光器和量子信息中已经得到了广泛的应用。实验上已经实现个各种波长的激光器;在量子信息方面,已经实现了单光子源,纠缠光源以及比特的Rabi振荡、初始化、比特的读取、集成化等等。近10年来在实验和理论方面都取得了令人瞩目的进展,但是量子点离它的实际应用还有很大的距离,尤其是在量子信息方面,还有很多重要的问题没有得到解决,比如耗散问题、比特集成问题以及量子点理论计算的问题等等。这些问题是我们这篇论文的出发点。 本文在第1章回顾了自组织量子点在量子点激光器和量子信息中的应用,在第2章我们介绍了自组织量子点的重要物理问题。在第3章,我们给出了处理量子点能级结构的三种方法,它们是k·p方法、经验赝势方法以及紧束缚模型。在这些模型中我们尤其关注量子点的微观对称性以及对应力的处理,因为它们对量子点的光学性质有很重要的影响。由于我们在第4-7章的计算需要用到经验赝势方法,所以我们详细介绍了经验赝势方法。在第3章最后我们讨论了量子点中的规范问题,我们证明磁场会破坏周期性系统的平移变换不变性,所以Bloch定理不再成立。我们给出了解决经验赝势中规范变换不变性的基本方法。 这篇博士论文主要关心量子点的光学性质,我们得到的主要结论有, 1.系统研究了InAs/InP量子点的单粒子能级、激子能量、激子寿命、量子点中的多体效应以及电子/空穴的相图,同时我们得到的结果和InAs/GaAs量子点进行了比较。 在第5和第6章中我们利用经验赝势方法研究了InAs/InP和InAs/GaAs量子点的能级结构和光学性质。我们发现InAs/InP和InAs/GaAs量子点的电子(空穴)的束缚势以及应力有很大的差别,所以它的电子结构和光学性质也有很大的差别。我们理论计算的结果和实验结果非常一致。 2.我们证明InAs/InP量子点适合用于实现通讯波段的纠缠光源。 利用量子点中的双激子级联过程可以实现确定性的纠缠光源,但是在实际量子点中,由于量子点的真实对称性只有C2v,激子的两个明态头一个精细结构劈裂(几十μeV),所以实际上得到的只有经典关联态。在第7章,我们利用经验赝势方法证明InAs/InP量子点的精细结构劈列非常小,此外它的发光波长在1.55μm附近,所以InAs/InP量子点适合用于实现通讯波段的纠缠光源。 3.我们证明(InAs)n/(GaAs)m量子阱的自旋劈裂∝|k|。 在第8章我们也开发了一套基于平面波的能带计算方法,其中我们采用和经验赝势一样的计算方法,在这个程序中我们用两种方法计算了自旋轨道哈密顿。由于自旋轨道耦合是非局域的,所以处理起来会非常困难,我们的这个方法可以处理非常大尺寸的体系。我们用这个方法计算了(InAs)n/(GaAs)m量子阱的自旋劈裂,我们的结果证明,选择合适的InAs厚度,可以让自旋劈裂∝|k|。这个结果可能在自旋电子学中有很大的用处。 4.我们实验证明InAs/GaAs量子点中激子-光学声子的耦合进入了强耦合区域。 在第9章我们研究了InAs/GaAs量子点中的激子-光学声子强耦合问题。我们发现在s峰的左边有一个新的峰s′,随着温度升高,s和s′会出现能级交叉。这些结果是激子-光学声子强耦合导致的,它使得量子点的光学性质有很大的改变。我们的结果证明,基于弱耦合近似的Huang-Rhys模型已经不能用来解释我们的实验结果。我们提出了一个二能级模型并用它可以很好地解释我们的实验结果,但是我们没有办法确定导致强耦合的机制,所以我们期待更多理论支持。


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