耦合量子点体系机械振子之基态冷却.doc

　　耦合量子点体系机械振子之基态冷却 第一章绪论 1.1前言 在物理学发展的早期，人们研究的目标主要是生活中宏观可见的物体。直到20世纪初，人们一直以为牛顿的三大定律就能描述所有的动力学系统。望远镜和显微镜的发明开阔了人类的视野也激起了人类对新奇世界的求知欲望。从星系、桥梁等宏观物体到电子等微观系统都是人们研究的对象。相对论和量子力学的发展指出经典力学并非对任何尺度和质量的物体的动力学描述都是正确的。对于大质量、高速度（接近光速）运动的宏观物体，相对论修正十分重要。当宏观物体的质量和速度越来越小时，相对论修正逐渐消失并过渡到经典力学旳情况。相比之下，量子力学主要从波函数、位置的几率幅等角度描述尺寸较小（如原子、亚原子尺寸）的粒子的动力学演化。一旦对这些微观系统进行测量，就会对波函数的演化产生干扰[1，2],使波函数坊塌。量子理论己成功解释了光电效应、黑体福射和原子的发射谱。量子力学不但能描述微小尺寸的演化过程，还能从微观的角度解释许多宏观的现象，如固体系统的电流性质、超导等。然而，不像相对论中那样简单地取极限m,0便实现到经典力学的过渡，目前，量子力学如何过渡到经典力学这一问题[3，4]仍然没有明确的答复。虽然Ehrenfest定理指出动量和势能的期望值遵循牛顿第二定律，但计算非线性振子的量子动力学[5]显示并非在任何情况下直接取a G 0就能从量子理论过渡到经典运动定律[6]。 简谐振子是描述经典物理现象和量子行为最基础、最简单的模型，而机械振子(Mechanical resonator)是最常见的简谐振子。在20世纪80年代以前，人们对物质系统的研宄只分为宏观和微观两个层次。由于当时机械振子的尺寸和质量比较大，与光或电子的相互作用在机械振子系统中的作用微不足道，故它们的相互作用在研宄机械振子的动力学行为时常被忽略。约在20世纪80年代中期，人们在研究凝聚态物理中的无序体系的电子输运性质的过程中提出了介观（Mesoscopic)系统这一概念。所谓介观结构是指材料的维度至少在一个方向上介于宏观和微观尺寸之间。严格说，当系统的尺寸能和其中的元激发（如电子）的量子退相干长度比拟时，该结构的物理性质表现出量子效应，则可称之为介观结构。对于大多数材料而言，这种介观尺寸都是纳米量级的，所以介观结构又称纳米结构。得益于纳米科技的迅猛发展，如今机械振子的尺寸已经可以做到亚微米甚至纳米量级，成为具有高振动频率、高灵敏度和高品质因子的微纳米介观系统。图1.1是一些微纳米机械振子。由于微纳米机械振子介于宏观和微观系统之间，可以同时具有经典力学效应和量子力学效应，因而纳米机械振子是研究经典力学到量子力学过渡的重要工具。从应用角度看，其高灵敏度的特点使纳米尺度的机械振子在微小质量[7]、位移[8]、自旋[9]和作用力（引力波探测器）的探测方面有先天优势；而高品质因子意味着机械振子具有较小的退相干速率，为人们对量子态实施操控赢取更多的时间，使其在量子计算、量子信息处理[10~12]以及研究宏观物体的非经典态和退相干现象等方面有重要的应用。此外，微纳米机械振子还可以作为量子光学装置的机械模拟和不同量子系统之间的中介。然而，要实现这些应用必须将微纳米机械振子冷却至接近量子基态。但通常的制冷技术很难达到这一要求，要实现微纳米机械振子的基态冷却，需通过与其它固体系统的稱合来完成。本文在电子的输运过程中，利用电子的隧穿效应以及稱合量子点系统与振子的糊合将振子冷却至接近基态。 1.2量子点 采用界而涨落型方法制作的量子点线度大、束缚能弱、激子能级间距小、能级寿命短等特点。但它们的跃迁偶极矩大，与外场相互作用强，有利于提高半导体微腔的Q因子和雜合常数[16],作为全光半导体量子逻辑门的量子比特[17]。T. H. Stievater首次在单个量子点中观测到Rabi振荡[18], X. Q. Li等人也最早实现了两个比特CROT门的全光3操控[19]。相对界面型量子点而言，自组织量子点尺寸小，量子限制效应强，且形状、大小及位置能在更大的程度上控制，更适合制造量子器件。图1.2所示的是在平板印刷术或者化学刻烛方法制备金字塔形凹洞中自组织生长后，经刻烛除去基底得到的单个量子点。这种方法制备的量子点不仅位置可以通过金字塔凹洞来精确控制，得到任意小密度的量子点分布，而且可以调整沉积时间来得到不同积层，从而控制量子点的尺寸。由于最近的两个量子点间的距离大于激光聚焦光斑的直径，因此很容易对单个量子点进行操作和探测，基本没有不可控的背景光子发射，是很好的单光子源[15, 20]。 第二章与A型双量子点体系親合的机械振子的基态冷却 2.1引言 冷却至量子基态的介观系统是接近物理理论模型的实际的量子系统，因此发展高效率的冷却技术不仅是研究物质的量子动力学性质、量子信息处理[10~12]