低維耦合量子體系中混合空穴基態及自旋調控研究

《低維耦合量子體系中混合空穴基態及自旋調控研究》是依託上海電力大學，由湯乃雲擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低維耦合量子體系中混合空穴基態及自旋調控研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：湯乃雲
• 依託單位：上海電力大學

項目摘要

在量子計算、量子信息和光電子技術等方面的潛在套用，低維半導體量子結構的耦合調控逐漸受到廣泛關注。本項目擬開展低維耦合量子體系中混合空穴基態的物理特性及電磁場下空穴自旋-軌道相互作用機理的研究，通過建立外電磁場下體系的輕重空穴耦合、自旋軌道作用、應變場和交換關聯等模型，探討不同空穴電荷分布對系統基態成鍵和反鍵特徵的影響，揭示耦合空穴態的軌道特徵和反交叉行為；基於波函式的分布，弄清軌道-自旋相互作用與耦合體系的對稱性及距離的關係，實現磁場對空穴基態自旋分布的控制；進一步針對零維/一維耦合量子結構，通過調節量子結構間的量子隧穿和空穴態的關聯，弄清限域體系自旋-軌道相互作用的空穴g因子與外場的關係，獲得共振耦合條件下半導體耦合量子結構的空穴基態性質的演變及自旋分布。研究結果有助於深層次理解和認識低維耦合體系中空穴軌道和自旋分布的反常特徵，為未來基於耦合體系的自旋量子調控套用提供相應的理論基礎。

結題摘要

低維半導體量子結構的耦合調控在固態量子計算和量子信息方面受到了廣泛關注。本項目使用多帶K•P理論和緊束縛原子方法，建立外電磁場下體系的輕重空穴耦合、自旋軌道作用、應變場和交換關聯等模型，開展了耦合體系內低維耦合量子體系中混合空穴基態的物理特性的研究，探討了內在極化和電磁場調控下耦合體系中空穴自旋-軌道相互作用機理，揭示了多帶耦合的情況下, 耦合體系中價帶基態能級和激發態能級之間反交叉現象；研究發現隨著耦合距離的增加, 量子點基態輕重空穴波函式的比重發生變化,導致量子點空穴基態波函式從成鍵態反轉成為反成鍵態。 同時因空穴基態及激發態波函式特性的轉變, 電子、空穴的基態及激發態波函式的疊加強度發生的明顯變化，系統地分析了耦合量子體系在不同耦合強度下價帶空穴的變化規律,提出了採用計算價帶基態和激發態波函式與導帶基態波函式交疊趨勢來判斷量子點價帶基態波函式屬性的方法。探討了內部極化和應變效應下，輕重空穴及軌道相互作用對耦合量子點空穴基態反成鍵態特性的影響，結果表明，應變效應改變了頂部（底部）量子點內空穴的束縛勢能，使得空穴基態波函式較多局域在底部量子點中。同時隨著耦合強度的變化,價帶基態能級和激發態能級發生反交叉現象，基態從成鍵態翻轉為反成鍵態。同時，應變效應使得量子點的重空穴及輕空穴的能帶發生改變，輕重空穴耦合減弱，基態和激發態之間發生成鍵、反成鍵態翻轉的臨界距離明顯減小。研究了量子點體系的自旋純度，實現磁場對量子點空穴基態之間的耦合的調製作用。探討了量子點內的各向異性，此各向異性來源於量子點有效質量、形態尺寸、外場調控及內部極化等。體系內各向異性的存在導致了三維空間量子束縛的變化，體系中出現了輕空穴基態，並且此各向異性可實現對體系中空穴帶的自旋調製及帶間耦合。研究結果有助於深層次理解和認識低維耦合體系中空穴軌道和自旋分布的反常特徵，為未來基於耦合體系的自旋量子調控套用提供相應的理論基礎。