低維納米結(jié)構(gòu)中微弱光電信號(hào)傳輸?shù)幕疚锢韱栴}.pdf

1、人們對(duì)信息高效存儲(chǔ)和準(zhǔn)確處理的需要，促使作為信息技術(shù)和微電子工業(yè)基礎(chǔ)的現(xiàn)代集成電路技術(shù)向更高集成度、更快運(yùn)算速度、更低功耗方向發(fā)展。作為微電子技術(shù)基礎(chǔ)的微米結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為制約信息技術(shù)高速發(fā)展的瓶頸，人們急于尋找一條嶄新的道路，使信息的處理發(fā)生質(zhì)的改變。如今，以介觀金屬環(huán)、石墨烯、光子晶體波導(dǎo)、納米金屬等離子體波導(dǎo)、微波傳輸線、光學(xué)納米光纖等為典型代表的低維納米結(jié)構(gòu)，由于他們的量子效應(yīng)具有很強(qiáng)的可控性，使得他們?cè)谖㈦娮?、光電子器件、超高密?/p>

2、存儲(chǔ)、量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。因此，研究低維納米結(jié)構(gòu)中的量子相干輸運(yùn)，是目前物理學(xué)研究中最活躍和最具生命力的前沿領(lǐng)域之一。
　　在本論文中，我們采用量子波導(dǎo)理論，著重研究了介觀金屬環(huán)在周期性磁通驅(qū)動(dòng)下的量子輸運(yùn)特性、低能激發(fā)電子在石墨烯的相干傳輸和一維光波導(dǎo)中的單光子相干輸運(yùn)等物理學(xué)前沿問題，研究發(fā)現(xiàn)周期性勢壘驅(qū)動(dòng)下的介觀環(huán)系統(tǒng)中出現(xiàn)了光子輔助隧穿，并且在環(huán)上形成了明顯的電流密度波；石墨烯閉環(huán)中的持續(xù)電流具有

3、顯著的尺寸效應(yīng)；以及光子與二能級(jí)原子之間的耦合強(qiáng)度對(duì)共振光子的輸運(yùn)特性起著決定性作用等。研究成果有助于設(shè)計(jì)制作下一代量子開關(guān)、量子分束器等納米元件。
　　具體研究了以下五個(gè)方面的內(nèi)容：
　　第三章研究了周期性磁通驅(qū)動(dòng)的介觀金屬環(huán)中的光子輔助隧穿。采用量子波導(dǎo)理論和Floquet散射理論，研究了介觀環(huán)中的電子在含時(shí)磁通驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)行為。數(shù)值結(jié)果顯示，不同于靜磁通驅(qū)動(dòng)時(shí)的情況，電子的透射率在整數(shù)倍振蕩能量時(shí)出現(xiàn)了漲落。這是由于

4、電子在周期性磁通作用下，產(chǎn)生了一系列的邊帶，使得電子通過光子輔助隧穿的方式從介觀環(huán)中透射出去。研究結(jié)果表明，光子輔助隧穿與動(dòng)磁場的幅度和振蕩頻率有關(guān)。由于光子輔助隧穿明顯地依賴于振蕩磁通的頻率，因此，雙庫開環(huán)系統(tǒng)可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的精確測量，即可以通過測量電子透射率出現(xiàn)跳躍時(shí)的能量，從而計(jì)算出磁場的頻率。
　　第四章研究了單庫介觀環(huán)在周期性磁場驅(qū)動(dòng)下的電流密度波。我們采用量子波導(dǎo)理論和Floquet散射理論，系統(tǒng)地研究了電子在單環(huán)

5、單庫結(jié)構(gòu)中的傳輸行為。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)介觀環(huán)在周期性磁通的驅(qū)動(dòng)下，電極和環(huán)上將出現(xiàn)振蕩的電流密度波，說明在只有一個(gè)庫的電極上可以出現(xiàn)電流。因此，我們的數(shù)值結(jié)果指出通過調(diào)節(jié)動(dòng)磁通的幅度，可以調(diào)控光子的輔助隧穿效應(yīng)。當(dāng)動(dòng)磁通很弱時(shí)，具有不同能量的入射電子均被完全反射回來。然而強(qiáng)的動(dòng)磁通使得反射率不再為100％。這是由于入射電子在光子輔助隧穿效應(yīng)的作用下，通過吸收或發(fā)射光子，在不同的Floquet邊帶之間發(fā)生躍遷，導(dǎo)致在單庫單環(huán)的電極中出現(xiàn)電流。<

6、br>　　第五章研究了Dirac粒子在石墨烯結(jié)中的交流響應(yīng)。采用無質(zhì)量的Dirac方程和Tien-Gordon理論，系統(tǒng)地研究了準(zhǔn)粒子在石墨烯結(jié)中的交流響應(yīng)。當(dāng)結(jié)的兩邊同時(shí)被外加時(shí)間周期性的外場驅(qū)動(dòng)時(shí)，數(shù)值結(jié)果表明電子透射率的時(shí)間相關(guān)性與電子的入射角度有關(guān)。當(dāng)電子垂直入射到石墨烯結(jié)上時(shí)，由于Klein隧穿的作用，使得其透射率始終為1，與外加勢壘的高度、頻率、相位等無關(guān)。當(dāng)電子以一定的角度入射時(shí)，其透射率明顯地依賴于勢壘的高度、頻率和相位

7、。同時(shí)通過研究不同邊帶間的電子透射率，發(fā)現(xiàn)在本系統(tǒng)中同樣存在光子輔助隧穿現(xiàn)象。
　　第六章研究石墨烯閉環(huán)的尺寸效應(yīng)。采用無質(zhì)量的Dirac方程，引入無窮大強(qiáng)制邊界條件，討論了石墨烯閉環(huán)中的Aharonov-Bohm效應(yīng)。數(shù)值計(jì)算表明，外加磁通對(duì)時(shí)間反演對(duì)稱性和電子的谷簡并性均有影響。由于石墨烯特殊的空間反幺正對(duì)稱性，使得其持續(xù)電流出現(xiàn)不同于金屬環(huán)中的振蕩特性。并且發(fā)現(xiàn)簡并能級(jí)差和持續(xù)電流的漲落幅度等與石墨烯閉環(huán)的半徑和寬度有關(guān)。這

8、說明可以通過改變石墨烯的幾何尺寸來調(diào)控它的時(shí)間反演對(duì)稱性和谷簡并性。
　　第七章研究了光子在一維光波導(dǎo)中的可控輸運(yùn)特性。光子在一維波導(dǎo)中被二能級(jí)原子散射時(shí)，光子透射率與耦合強(qiáng)度之間有直接的依賴關(guān)系。與對(duì)稱耦合不同的是，我們的數(shù)值結(jié)果表明共振光子的透射率可以通過改變不同方向光子與二能級(jí)原子之間的耦合強(qiáng)度，從而使光子的透射率從0調(diào)節(jié)到100％。究其物理根源來自于光子被二能級(jí)原子散射之后能量和動(dòng)量的再分配。因此，共振光子的透射率不僅與光