微納尺度光力學(xué)系統(tǒng)中的量子光學(xué)特性及其在光學(xué)探測(cè)上的應(yīng)用.pdf

1、馬約拉納費(fèi)米子是一種奇異的粒子，它的反粒子是其本身。研究者預(yù)測(cè)中微子可能是馬約拉納費(fèi)米子。幾十年來(lái)，粒子物理學(xué)家們一直在尋找馬約拉納費(fèi)米子，但目前仍然沒(méi)有確鑿的證據(jù)證明這個(gè)預(yù)測(cè)。最近，研究者在凝聚態(tài)系統(tǒng)中觀測(cè)到了馬約拉納費(fèi)米子的跡象，這引起了人們的廣泛關(guān)注。在一定的磁場(chǎng)條件下，復(fù)合半導(dǎo)體納米線/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中納米線的兩端會(huì)出現(xiàn)一對(duì)馬約拉納費(fèi)米子。由于馬約拉納費(fèi)米子遵守非阿貝爾統(tǒng)計(jì)，因此它們有可能應(yīng)用于拓?fù)淞孔佑?jì)算。然而最近的研究發(fā)現(xiàn)

2、其它的一些物理機(jī)制，比如近藤效應(yīng)、納米線的彎曲與混亂都會(huì)引起類似馬約拉納費(fèi)米子的跡象。此外，目前大部分探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子的方法多是基于電學(xué)測(cè)量。因此，為了得到馬約拉納費(fèi)米子的確鑿證據(jù)，其它的探測(cè)方案或者提議的提出對(duì)探測(cè)和證明馬約拉納費(fèi)米子是很有必要的。我們提出一種全光學(xué)的方法來(lái)探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子。
　　近年來(lái)，得益于當(dāng)今納米科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種各樣的納米結(jié)構(gòu)，比如半導(dǎo)體納米量子點(diǎn)、半導(dǎo)體納米量子線、金屬納米顆粒、納米超導(dǎo)材料、納米

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

4、br>　　第一章是緒論。我們首先引入半導(dǎo)體量子點(diǎn)和金屬納米顆粒這兩種納米材料的基本知識(shí)；簡(jiǎn)要介紹了它們的各種制備方法以及在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。接著介紹了在復(fù)合的半導(dǎo)體納米線/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)這個(gè)系統(tǒng)中觀測(cè)到了馬約拉納費(fèi)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(fèi)米子的幾個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)。隨后，我們對(duì)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(duì)二硫化鉬材料的制備以及將來(lái)可能的應(yīng)用做了詳細(xì)的闡述。其次，簡(jiǎn)述了復(fù)合的納米機(jī)械

5、系統(tǒng)(比如量子點(diǎn)與納米機(jī)械振子的耦合)和光力學(xué)系統(tǒng)(回音壁模式光力學(xué)系統(tǒng))。最后，引入一種光學(xué)pump-probe探測(cè)技術(shù)。
　　在第二章中，我們提出一種全光學(xué)的方案來(lái)探測(cè)凝聚態(tài)物理系統(tǒng)中的奇異的粒子—馬約拉納費(fèi)米子。半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的媒介來(lái)探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子。當(dāng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)與復(fù)合半導(dǎo)體納米線/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的馬約拉納費(fèi)米子相耦合時(shí)，通過(guò)把光學(xué)pump-probe技術(shù)作用到半導(dǎo)體量子點(diǎn)上，便可以通過(guò)量子

6、點(diǎn)的探測(cè)吸收譜或非線性克爾譜觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的跡象。我們進(jìn)一步用量子點(diǎn)與金屬納米顆粒組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子。金屬納米顆粒表面產(chǎn)生的等離子體將會(huì)增強(qiáng)量子點(diǎn)的光學(xué)效應(yīng)，使得馬約拉納費(fèi)米子較容易被探測(cè)到。當(dāng)我們把一個(gè)量子點(diǎn)植入到一個(gè)納米機(jī)械振子中，納米機(jī)械振子的振動(dòng)將會(huì)增強(qiáng)量子點(diǎn)的非線性光學(xué)效應(yīng)，也將會(huì)使得馬約拉納費(fèi)米子更容易被探測(cè)到，并且這種非線性探測(cè)方案可能對(duì)探測(cè)噪聲免疫。與量子點(diǎn)相比，單電子自旋可以看成一個(gè)純的二能級(jí)系統(tǒng)

7、，因此單電子自旋可以看做是一個(gè)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(guò)單電子自旋來(lái)探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子。通過(guò)這個(gè)方案，可以測(cè)得單電子自旋與馬約拉納費(fèi)米子之間的耦合強(qiáng)度。碳納米管的振動(dòng)表現(xiàn)出一個(gè)聲子腔的行為，使得馬約拉納費(fèi)米子更靈敏地被探知。我們的全光學(xué)方案提供了另一種探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子的方法，這也為增強(qiáng)對(duì)馬約拉納費(fèi)米子的操控和實(shí)現(xiàn)基于馬約拉納費(fèi)米子的量子信息處理方面的應(yīng)用打開(kāi)了一扇大門(mén)。
　　在第三章中，我們提出

8、一個(gè)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(jī)械系統(tǒng)。研究了系統(tǒng)中的線性和非線性光學(xué)特性，提出一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中聲子與激子的耦合強(qiáng)度的光學(xué)方法，證明了系統(tǒng)中的聲子誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。通過(guò)控制pump場(chǎng)的強(qiáng)度，單層二硫化鉬機(jī)械振子表現(xiàn)出一個(gè)光學(xué)晶體管。調(diào)查了該系統(tǒng)中的非線性光學(xué)效應(yīng)，研究了一些參數(shù)對(duì)光學(xué)克爾效應(yīng)的影響。同時(shí)提出了一種測(cè)量機(jī)械振子振動(dòng)頻率的非線性光學(xué)方案。與此同時(shí)，我們進(jìn)一步提出一種非線性光學(xué)質(zhì)量傳感方案。通過(guò)測(cè)量

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

10、移，便能直接測(cè)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(zhì)量。為了和碳納米管作比較，我們進(jìn)一步提出一個(gè)基于鋸齒形石墨烯納米帶的非線性質(zhì)量傳感方案。由于石墨烯的超輕質(zhì)量特性，單個(gè)納米粒子的質(zhì)量(如二氧化氮和氨氣分子)也可由石墨烯納米帶機(jī)械振子測(cè)出。非線性光學(xué)質(zhì)量傳感方案可能會(huì)對(duì)探測(cè)噪聲免疫，這將會(huì)提高探測(cè)的靈敏度。我們同時(shí)在石墨烯納米帶機(jī)械振子系統(tǒng)中研究了的聲子誘導(dǎo)透明、電磁誘導(dǎo)吸收，參數(shù)放大現(xiàn)象、以及非線性光學(xué)克爾效應(yīng)。這種基

11、于碳納米管和石墨烯納米帶的機(jī)械振子系統(tǒng)將有可能應(yīng)用于量子測(cè)量、化學(xué)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)上和全光學(xué)器件上(如光學(xué)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?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)石墨烯納米振子與微波腔耦合的光機(jī)械系統(tǒng)。在紅邊帶條件下，證實(shí)了系統(tǒng)中的光機(jī)械誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯-微波腔光機(jī)械系統(tǒng)中，慢光現(xiàn)象的數(shù)量級(jí)可以達(dá)到毫秒量級(jí)(光學(xué)腔中的慢光在納秒量級(jí))。在藍(lán)邊帶條件下，研究了系統(tǒng)中的光機(jī)械誘導(dǎo)吸收現(xiàn)象和超快光現(xiàn)象。與此同時(shí)

12、，也研究了石墨烯光機(jī)械系統(tǒng)中的共振增強(qiáng)的四波混頻現(xiàn)象，提出一個(gè)測(cè)量石墨烯振子頻率的非線性光學(xué)方法。在光學(xué)頻段，我們研究了一個(gè)三模耦合光機(jī)械系統(tǒng)，其中兩個(gè)光學(xué)腔與一個(gè)機(jī)械模式相耦合，并且給出一個(gè)更為普遍的三模光機(jī)械系統(tǒng)。分別對(duì)兩個(gè)腔施加一個(gè)光學(xué)pump-probe技術(shù)，在不同參數(shù)機(jī)制下，在這個(gè)三模系統(tǒng)中我們得到了相干完美吸收和透射現(xiàn)象。當(dāng)相干完美吸收產(chǎn)生時(shí)，輸入的探測(cè)場(chǎng)的能量將完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)腔場(chǎng)的能量和振子的內(nèi)部相干振動(dòng)，并且可以通過(guò)控制腔