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摘 要

关键词：量子点，纳米机械振子，相干布居数振荡

Abstract: We theoretically propose a scheme to study coherent population oscillation (CPO) spectra in a system of a quantum dot coupled to a nanomechanical resonator. Due to nanomechanical vibrations CPO in a single quantum dot demonstrates novel features. In analogy with CPO in quantum optics, we refer to this effect as mechanically induced coherent population oscillation (MICPO). In this scheme, the vibration of the nanomechanical resonator makes a contribution to additional auxiliary energy levels so that the transparency phenomenon could be realized in such a system. The optical spectrum shows that the transparency based on MICPO can be controlled simply by the intensity of the optical field, the coupling strength and other relevant parameters. Furthermore, our technique provides a method to measure the decay rate of the nanomechanical resonator in a real experiment .

Keywords: Quantum dots, Nanomechanical oscillator, Coherent population oscillation

目录

1 绪论 4

1.1 量子点的概念和性质 4

1.2 相干布居振荡效应 6

1.3 纳米机械振子 7

2 量子点和纳米机械振子耦合系统中的相干光学特性 7

2.1 简介 7

2.2 原理 8

3 数值结果与讨论 12

结论 17

参考文献 18

致谢 19

1 绪论

近年来的科学技术的飞跃进步，纳米机械振子由于其重要的基础性，如高频率振动和大品质因子，还有其潜在的应用，越来越受到关注。与此同时,由少量的原子所构成的量子点，又称人造原子，作为一种新颖的半导体材料，它具有许多独特的纳米性质，也应用于许多不同的方面。将纳米机械系统与量子点耦合起来，许多奇特的量子现象和基本的量子定律都能够被发现，并加以检测和研究。本文主要讲述了一种在量子点和纳米机械振子耦合系统中研究相干布居数振荡的方法，由于纳米机械振动，量子点系统中相干布居振荡显示出新的特性。

1.1 量子点的概念和性质

1.1.1 量子点的概念

量子点是由有限数量的原子构成，三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料制成的纳米粒子，径直在2～20 nm之间。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体，既可由一种半导体材料组成，它既可以由一种半导体材料组成，也可以有多种半导体材料组成。一个量子点往往带有少量空穴、电子或空穴电子对。科学家首先提出有关量子点的概念是在20世纪90年代。

1.1.2 量子点的分类

量子点有许多几何形状，比如箱形、球形、四面体、柱形、立方、盘形等，还有外场（电场和磁场）诱导量子点；根据电子与空穴的量子封闭作用，量子点有1型量子点和2型量子点；根据材料构成，量子点又有元素半导体量子点，化合物半导体量子点和异质结量子点。此外，原子和分子团簇、超细微颗粒和多孔硅也属于量子点范畴。

1.1.3 量子点的主要性质

（1）表面效应

当材料达到纳米级时，量子点会引起表面效应。它是指即使量子点粒径在不断减小，而大部分的原子还是位于表面，此时的比表面积随粒径减小而不断增大。由于纳米比表面积的颗粒比较大，导致原子数多集中在表面，这就会造成表面原子的配位缺少，同时不饱和键增多^[5]，因此这些表面原子拥有着很高的活性，和其它原子结合较为容易。纳米粒子由于这种表面效应，便具有高活性和高表面能，我们可以将它作为氧化还原反应的中心，纳米粒子若有金属性质，它的表面容易被氧化，这使得量子点在催化领域显示出非常重要的前景。

（2）量子尺寸效应

由于纳米半导体材料的带宽比较大，所以它受量子尺寸效应的影响更大，晶体体积越小，那么比表面积越大，表面的束缚能就会越高，就会越高的吸收光能，即存在着量子尺寸效应，使它的吸收带逐渐蓝移，对应的荧光发射峰也随之蓝移。

（3）介电限域效应

随着粒径的减小，比表面积增大，表面状态会影响颗粒的性质。考虑到库伦相互作用和量子点表面上修饰材料的节点常数不同，与裸露的半导体量子点对比，它们的光学性质也发生了很大变化，这就称之为介电限域效应。当能量发生变化，介电限域效应影响会大于尺寸效应，此时量子点的能级差会变小，则在它吸收光谱上就会表现为明显红移现象。

（4）量子隧道效应

传统的元器件材料，它的物理尺寸要比电子的自由程大许多，我们所观测到的是群电子的输运行为。如果要将微电子器件再一次的微小化，一定要重视量子隧道效应。由于电子在纳米尺度空间具有着明显的波动性，人们便认为微电子技术发展的最大限度是100nm。当电子在纳米尺度空间里运动时，它的物理线度和电子自由程相当，电子或者空穴在输运中将会出现电子的波动性，即出现量子隧道效应。如果要制造量子器件，我们通常就需要对电子的量子效应加以利用，同时需要一个纳米导电区域，直径在几个微米到几十微米之间。电子被封在纳米导电区域中，在纳米空间中，它显现出的波动性就会产生量子限域效应。由于在纳米导电区域间出现了薄的量子垫垒，当低电压时，电子运动仅限定在纳米尺度范围内，要想电子越过纳米势垒，就要升高电压，这将会形成费米电子海，这样系统便具有导电性，电子从一个量子阱穿过量子垫垒，然后进到另一个量子阱中时，量子隧道效应就会发生。

(5)库仑阻塞效应

在一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小时，若量子点进入了一个电子，电子热运动能力会比系统增加的静电能小很多，这种静电能会阻止随后的二次电子进入同一量子点，发生库仑阻塞效应。

1.1.4 量子点的制备

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