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关键词： 表面等离激元波导   手性耦合   自发辐射增强   表面等离激元共振   分子超分辨定位  

摘要： 本论文针对辐射源与金属纳米线表面等离激元(SPP)波导模式的耦合,进一步发展了手性耦合的一般理论,实现了对辐射源自旋态的读取以及辐射源的超分辨定位,对于基于片上的光信息处理、分子超分辨定位等具有重要意义,完成的研究工作如下。首先,针对辐射源与SPP波导模式的耦合,进一步发展了手性耦合的一般理论,实现了对辐射源自旋态的读取。源-波导模式手性耦合源于被激发的波导模式传播方向与圆偏振源横向自旋方向(transverse spin,T-spin)之间的锁定效应。在此类手性耦合系统中引入共振模式作为耦合界面,可以提高波导模式的手性耦合单向性,增强源的自发辐射速率,提高耦合效率,并提高可控性。本论文基于互易定理,给出了一个直观且严格的方法来分析源与波导模式的直接/间接手性耦合(无/有共振耦合界面),由此方法导出源-波导模式发生手性耦合的条件,并首次给出了手性耦合波导模式的方向性和场或源的T-spin之间的两个普遍关系式。这一研究方法普遍适用于直接/间接手性耦合系统,以及有损/无损波导结构。基于上述理论研究方法,本文提出一种新型的间接手性耦合系统,其由双模SPP形成的Fabry-Perot(FP)共振纳米腔作为耦合界面,实现了源与SPP波导模式的间接手性耦合。其中,FP共振提供了一个新的且灵活的调控自由度,可以调控场的T-spin发生手性反转或消失,相应地,使得耦合的波导模式单向性发生反转或消失,同时摆脱了点源必须位于波导模式倏逝场范围内的限制。这一间接手性耦合系统可以实现SPP波导模式激发单向性达到99.9%,且具有较高的耦合效率,同时实现了手性源的自发辐射速率的增强。针对这一耦合系统,本文建立了基于第一性原理的互易问题SPP模型和原问题SPP模型,验证了FP共振在实现波导模式手性耦合和手性源自发辐射速率增强中的关键作用。通过与直接手性耦合系统(无FP共振结构)对比,以及计算引入基底的间接手性耦合系统,定量分析了所提出的间接手性耦合系统的性能优势和鲁棒性。针对上述提出和研究的源-SPP波导直接/间接手性耦合系统,实验上,利用扫描近场光学显微镜中的纳米光纤探针模拟点源。数值仿真了探针辐射源与结构的手性耦合,并在实验上观测到了直接/间接手性耦合导致的SPP波导模式的单向激发。其次,基于分子荧光与银纳米线SPP波导模式的耦合,本文提出了一种在波导远端对荧光分子进行二维纳米精度定位的方法,其中分子荧光通过波导收集并传播到波导远端被分析,从而实现荧光收集位置(波导远端)和荧光分子位置(波导上)的分离。通过探测传播到纳米线末端后散射至远场的SPP,分析其荧光寿命,实现了对分子沿纳米线径向的定位,具有优于5nm的定位精度。通过理论计算和分析,解释了沿银纳米线传播的SPP主要来自径向偏振荧光分子的激励,并且,荧光分子的总自发辐射速率(其决定荧光寿命)强烈依赖于分子的径向位置,理论计算得到的依赖于分子径向位置的荧光寿命与实验结果一致,从而解释了实验结果。基于SPP的传输损耗与传输距离之间的指数函数关系,给出了在纳米线两端探测的SPP强度关系式,通过实验上测量纳米线两端的远场散射荧光强度的比值,实现了对分子沿纳米线轴向的定位,定位误差小于0.28倍荧光波长。

关键词： 石墨烯   氧化刻蚀   边缘磁性   自旋器件   非局域测试  

摘要： 自2004年发现以来，由于石墨烯独特的结构及优异的电、光、热、力等特性，吸引了世界范围内的科研热潮。在石墨烯的磁学性质方面，由于宏观石墨呈现抗磁性，石墨烯的磁学特性没有引起广泛关注。然而，有理论预言锯齿型的石墨烯边缘存在局域磁矩和局域铁磁性。实验上，也有多个小组提出石墨烯边缘存在局域铁磁性，甚至局域磁矩可以达到几十个玻尔磁子。然而，石墨烯的边缘铁磁性自发磁化机理为何，是否也存在类似磁畴的结构，是石墨烯局域铁磁性面临的巨大挑战。另一方面，由于石墨烯内部自旋轨道耦合较弱，这意味着石墨烯中的自旋弛豫寿命长，利用石墨特殊的边缘磁性可以开展自旋电子器件构建和特性研究。本文围绕石墨烯的制备、AFM加工石墨烯、石墨烯自旋器件构建与非局域测量展开了系列研究，主要的研究内容和结论如下:　　1.石墨烯微机械剥离技术改进和优化研究。传统的胶带法剥离石墨烯，存在制备的石墨烯面积小，石墨烯周围胶带残胶多等问题。通过在高定向热解石墨(HOPG)上蒸镀一层100nm金薄膜，进而利用Au薄膜加大对HOPG的黏附力。采用胶带对其进行机械剥离操作，对胶带上的Au-HOPG薄膜再次镀金薄膜操作，用新的胶带再次剥离，重复以上步骤3～5次。结果表明，在大小为10mm×10mm的硅片衬底上可以获得5个左右大面积(100μm×100μm)、表面残胶更少的单层、双层石墨烯样品。　　2.原子力显微镜(AFM)刻蚀加工石墨烯研究。利用AFM针尖阳极氧化技术实现对石墨烯的线刻蚀及石墨烯器件的加工。对AFM针尖湿润处理，AFM针尖和石墨烯之间形成液桥。AFM针尖作为阴极，石墨烯作为阳极。在电场作用下，AFM针尖与石墨烯接触位置会发生阳极氧化作用。结果表明，在Setpoim为-5V时候，AFM探针频率为0.1Hz，氧化刻蚀的线宽约为20～35nm。通过AFM加工石墨烯器件存在器件漏电现象。　　3.五端石墨烯自旋阀器件的构建及非局域测量研究。利用微纳加工方法制各石墨烯自旋器件，电极材料为顺磁金属钼，电极制备方式选用磁控溅射工艺。在特定条件下(功率200W，电流模式DC)，利用磁控溅射产生高能量金属原子轰击电极所在的石墨烯，制造石墨烯边缘缺陷形成一定的磁矩。利用石墨烯的边缘磁矩构建自旋器件并实现自旋注入。采用非局域测试方法完成自旋信号的探测。结果表明，在室温、大气条件下，当输入电压为100mV时，在栅压为±30V时，两个电极之间的非局域信号差为高达15mV,并且随着栅压调控。该自旋信号也受水平X方向磁场调控，一定程度表明该非局域信号来源于石墨烯中的边缘磁矩。

关键词： 金刚石氮空位色心   腔量子电动力学效应   超辐射   微波激射  

摘要： 氮空位色心(Nitrogen-vacancy center,NV center)是金刚石晶格中氮原子和紧邻的空位形成的点缺陷结构。带负电的NV色心具有独特的自旋和电子能级结构,其自旋在室温下具有长的量子相干时间,并可通过光学手段对其量子态进行初始化和读出。因此,NV色心作为一种典型的固体量子比特在量子传感、量子信息等领域得到了广泛地应用。其中,金刚石NV色心系综和微波谐振腔构成的复合系统备受关注。利用该杂化体系,人们在极低温的环境中实现了各种腔量子电动力学(Cavity Quantum Electrodynamics,C-QED)效应,如超辐射脉冲现象、拉比振荡和拉比劈裂现象。然而,低温操作环境极大地限制了C-QED效应在量子传感等方向的应用。此外,利用类似的复合系统,人们在实验上实现了室温下的连续微波激射,其有望解决原有微波激射器所需的超高真空、极低温、强磁场环境,可进一步推进微波激射器在微波通讯、时间基准、医学和射电天文学等领域的应用。虽然,微波激射属于C-QED效应的一种,但目前对其机制的研究并不深入,NV色心自旋与微波谐振腔间的集体耦合及其导致的超辐射对微波激射的影响仍不清楚。因而,我们有必要从理论上探究如何利用金刚石NV色心实现室温下的C-QED效应,并研究超辐射现象对微波激射的影响。在本硕士论文中,我们围绕上述两个问题进行深入的理论研究,现将相关研究成果简述如下:1)如何实现室温下基于金刚石NV色心的C-QED效应?为解决这个问题,我们构建了描述金刚石NV色心和微波谐振腔系统动力学的量子主方程,引入光泵浦导致自旋冷却的有效描述,利用平均场理论对该方程进行了求解。研究表明室温下由于自旋-晶格弛豫过程导致NV色心自旋系综处于低对称的Dicke态,其和微波谐振腔耦合较弱,无法实现C-QED效应;利用光泵浦导致自旋冷却过程,可抵消自旋-晶格弛豫,使自旋系综处于高对称Dicke态,增强其与微波谐振腔的耦合,从而实现了室温下拉比振荡、拉比劈裂以及受激超辐射等C-QED效应。另外,控制冷却速率可以控制自旋系综与谐振腔的耦合强度,可用于研究集体弱耦合到强耦合转变对室温C-QED效应的影响。2)NV色心自旋系综与微波谐振腔间的集体耦合如何影响基于金刚石NV色心自旋的微波激射?为解决这个问题,我们考虑强磁场下NV色心自旋塞曼劈裂,结合光泵浦机制实现自旋能级布居数反转。我们将自旋的非相干泵浦有效描述引入量子主方程中,利用平均场方法对其进行求解,研究了自旋的非均匀展宽、自旋数目、温度、频率失谐对微波激射的影响。研究表明:在室温下通过对多于1014自旋进行速率为千赫兹的非相干泵浦,可以产生微波激射和超辐射过程共存的微波超辐射激射,其对应辐射线宽可小于亚毫赫兹,且该超窄线宽辐射不会被NV色心系综的非均匀展宽破坏。

关键词： 超冷费米气体   自旋轨道耦合   Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov   拓扑  

摘要： 文章利用矩阵乘积态（MPS）方法研究了吸引性超冷费米原子气体在自旋轨道耦合（SOC）驱动下的基态性质。一般Zeeman场会使系统处于Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov(FFLO)超流态，考虑SOC后我们发现SOC会使FFLO超流态区间变窄。配对质心动量Q随Zeeman场增强而减小，与极化P呈现出线性关系Q=(1-P)π，并且不受SOC影响。通过数值分析准粒子能谱、纠缠熵和纠缠谱，发现在SOC和吸引相互作用下，FFLO超流态是拓扑非平庸的。

关键词： 二维共轭高分子   电子传输   二维导电金属有机框架薄膜   液相外延层层浸渍   自旋阀  

摘要： 近年来,二维导电金属有机框架展现出了丰富的半导体性、金属性、氧化还原活性和磁性等性质,使其在储能和电催化等领域表现优异。然而,开发具有高电荷传输性能的二维金属有机框架及其薄膜材料,并将其应用于电子学和自旋电子学器件仍然面临着巨大的挑战。本论文论述了四类二维金属有机框架材料的设计合成、薄膜制备和电荷传输性能,并探究了其在自旋阀领域的独特优势。具体研究内容概括如下:一、制备出非平面构型环三藜芦烃基二维金属有机框架,为二维导电金属有机框架材料提供了新的设计思路。通过与平面构型苯并菲基二维导电金属有机框架材料相比较,发现共轭结构的引入有利于促进电子传输,为选择自旋电子学器件的中间层材料奠定了基础。二、为解决二维导电金属有机框架薄膜加工性差的问题,利用液相外延层层浸渍的方法制备出大面积、厚度可控的苯并菲基二维金属有机框架薄膜。该薄膜高度共轭并且兼具择优取向和高电导率的优点。构建了基于二维导电金属有机框架的垂直结构自旋阀器件,在10 K时展现出了高达～25%负磁电阻。三、合成了基于酞菁(PcH)的二维金属有机框架(PcH-Ni和PcH-Cu)。探究了不同薄膜制备策略(溶剂热沉积和液液界面法)的优缺点。利用机器辅助自动控制的液相外延层层浸渍方法制备PcH-Cu薄膜,进一步提高了薄膜制备效率和器件可重复性。基于PcH-Cu的自旋阀器件在50 K时显示出～22%负磁电阻。四、为了深入分析二维导电金属有机框架材料在自旋阀领域的独特优势,合成了基于酞菁镍(Pc Ni)和酞菁铜(Pc Cu)的二维金属有机框架(PcM-Cu,M=Ni,Cu)。所制备的基于PcM-Cu的自旋阀器件显示出典型的负磁电阻曲线。在二维金属有机框架和钴之间的界面处发现了明显的交换偏置现象,这有利于形成稳定的磁电阻信号。

关键词： 多维量子隐形传态   量子纠缠   幺正变换   保真度  

摘要： 量子信息学是量子力学、信息学、计算机科学和数学等学科交叉形成的一门新兴学科。由于量子信息在存储、传输和操作等方面具有独特性质,使得信息的安全性、运算能力和存储能力等都有了质的飞跃。量子隐形传态是量子通信的一个重要方面,国内外科研团队在该领域取得了多项重大研究成果。量子隐形传态是依靠量子纠缠资源,实现任意距离的未知量子态传输的技术。近年来多维量子隐形传态由于具有更大的信道容量和更强的抗噪声能力,因而成为新的研究热点和难点问题,包括对物理体系的选择,传输方案的优化,保真度的考量等。本文首先介绍了量子隐形传态领域及保真度的国内外研究进展并阐述了量子隐形传态的相关概念,然后对单体二维体系量子隐形传态及两体三维体系量子隐形传态进行了方案构建和理论分析。主要工作和结论如下:(1)研究单体二维量子隐形传态。首先对单体二维最大纠缠态传输方案进行构建,发送者利用复合系统量子态完成对持有粒子的量子测量并将测量结果发送至接收者,接收者依据测量结果选择幺正变换对量子态进行重构,完成量子态的传输。然后将方案扩展到一般纠缠态量子隐形传态,这也是单体二维量子隐形传态的普适方案。最后对发送态和重构态之间的保真度展开了分析,结果表明,发送粒子为最大纠缠态和一般纠缠态时,保真度都为1。(2)研究两体三维量子隐形传态。基于两个量子信道,首先提出了两体三维最大纠缠态的传输方案。发送者利用广义三维Bell基进行量子测量,并将测量结果发送至接收者,接收者依据测量结果合理选择幺正变换进行操作,完成对目标量子态的重构,然后将方案扩展到两体三维量子隐形传态的普适方案。最后对两种方案的保真度展开了计算,结果表明重构态和发送态之间的保真度关系为1。本文研究了单体二维和两体三维量子隐形传态方案及保真度,方案中建立的量子信道以及接收者采取的重构操作,为多维量子隐形传态研究提供了方法借鉴。

关键词： 磁子阀   Fano共振   逆自旋霍尔效应   磁声相互作用  

摘要： 随着科技的发展,计算机及电子设备均处于高速迭代的时期,对计算机的运算速率和存储密度的要求进一步提高,因此对晶体管制程工艺的要求愈来愈苛刻,如今成熟的晶体管工艺已达到七纳米,原子极限及量子效应的瓶颈逐渐凸显,继续迭代新制程工艺面临更大的挑战。近年来,利用电子的内禀属性自旋进行信息传输,为打破摩尔定律提供了新的发展方向。其中,采用磁性绝缘体为主的自旋电子器件,可借助磁子以波动的形式进行长距离高效的信息传输,且由于不存在净电荷的移动,使得器件功耗大幅度衰减。因此开发磁子阀为核心的自旋电子器件,实现具有磁子自旋的存储与逻辑器件,引起广泛关注。为了进一步优化磁子阀结构器件,本文以磁性绝缘体异质结为基本单元,进行了新的探索和尝试,主要集中在如下两个方向:首先对磁子阀的性能进行了系统的研究,通过其本身结构的不对称破缺性,将磁子阀磁化动力学与Fano共振相结合,实现了磁子的Fano效应。而后,结合磁子-声子之间的相互作用,实现由声子介导的自旋信息传输并结合自旋泵浦、自旋霍尔及逆自旋霍尔等测试手段研究了钇铁石榴石(YIG)/钆镓石榴石(GGG)异质结的自旋输运特性。对实现以磁子为信息载体的低功耗高性能自旋电子学器件,具有十分重要的意义。首先,本文对已有的相关理论及背景进行了介绍。从磁性能量角度入手,介绍磁化动力学理论,对磁化进动过程进行了分析,并详细阐述了铁磁共振相关理论与Fano共振相关理论模型及应用,自旋流的产生与探测机制。为之后对磁子阀结构的自旋输运及动力学研究提供了理论基础。并对本文所使用的样品制备及测试技术进行了介绍。其次,对新型磁子阀结构YIG/Au/YIG的制备工艺及方法进行了研究。通过改变Au层厚度得到不同结构类型的磁子阀单元,其中包括YIG/Au纳米颗粒/YIG、YIG/Au纳米柱/YIG等。对不同类型的磁子阀单元进行了详细的表征,包括TEM、XRD、Raman、XPS,对磁子阀的微观结构模型、晶体结构以及声子振动模式、元素价态进行了详细的分析及探讨。通过UV-visible测试研究了YIG/Au/YIG磁子阀的光学性能,通过其透射谱及反射谱,计算得到其光学带隙的变化,发现随着Au层厚度的增加,光学带隙逐渐降低。然后,对YIG/Au/YIG磁子阀随Au层厚度变化的磁化动力学特性进行了系统的研究。并成功在Au层为60 nm的磁子阀中观察到了磁子Fano共振现象。通过耦合振荡器模型,描述了Fano共振的来源。并通过对铁磁共振吸收峰的数值拟合提取了Fano因子,发现可以通过Fano因子定义铁磁层间相互作用的方向。最后,为了进一步探索基于纯自旋流的磁子自旋器件,制备完成YIG/GGG/Pt异质结薄膜并进行了自旋输运相关研究。通过脉冲激光沉积获得的GGG薄膜呈现以(111)晶向为主的多晶薄膜,且具有不同结构体所对应的拉曼峰。以此为基础,研究了在不同厚度GGG间隔层条件下的逆自旋霍尔效应,探索声子自旋输运的可能性。在YIG/GGG/Pt异质结中,通过逆自旋霍尔测试系统成功探测到GGG层厚度在100 nm以内的逆自旋霍尔信号,且随着GGG薄膜厚度的增加,声子介导的自旋输运在100 nm以内呈幂指数型衰减。

关键词： PT对称   自旋轨道耦合-玻色爱因斯坦凝聚   带隙孤子  

摘要： 随着量子力学的飞速发展,人们逐渐将物理学的范围扩展到非厄米系统。当系统的哈密顿量满足宇称时间对称性(Parity-Time symmetry,简称PT对称性)时,在一定参数范围内具有完全实的本征能谱。这一概念的扩展引起物理学家对孤子特性研究的关注,开始将PT对称概念应用在自旋轨道耦合-玻色爱因斯坦凝聚(spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate,简称SOC-BEC)系统中。本论文主要研究了PT对称势阱中SOC-BEC的带隙孤子的性质。论文主要集中于研究改变PT势阱虚部深度和周期对带隙孤子的影响。首先建立一维耦合Gross-Pitaevskii(GP)方程模型,通过平面波展开法得到了线性Bloch能带和Bloch波。结果表明随着PT对称势阱虚部深度的增加,能谱开始发生PT对称破缺现象,并且这一现象会随着势阱虚部周期的缩短加速发生。Bloch波随着虚部深度的增加自旋极化现象愈发明显,第一带隙宽度也变得逐渐减小。另外数值求解方程在第一带隙中得到两种带隙孤子,即单峰带隙孤子和双峰带隙孤子。势阱虚部深度的增加导致两种带隙孤子自旋极化更为明显并且使单峰孤子振幅幅度增大,但是带隙孤子的对称性不变。最后,利用线性稳定性方法和动力学演化分析了第一带隙单峰孤子和双峰孤子的稳定性。发现当势阱虚部深度增加时,带隙孤子逐渐变得不稳定,然而势阱虚部周期的变化不会改变带隙孤子的稳定性。

关键词： 输运行为   量子点接触   自旋轨道耦合  

摘要： 近年来,冷原子体系中的非平衡研究逐渐成为一个热点,由于冷原子具有高度清洁性和可控性,物理学家可以在冷原子体系中实现许多材料物理中无法实现的输运行为的研究。第1章绪论,介绍了冷原子输运中的相关实验进展,最开始搭建的是二维的输运通道,在此基础上研究了粒子输运和热输运,随着实验技术的提升,二维的输运通道变成了一维的量子点接触。量子点接触的实验结果表明电导是呈阶梯状的量子化,但是值得注意的是有一个被称之为“0.7反常”的有趣现象,它的微观起源一直处于争议状态。此外,自旋轨道耦合也是一个研究热门话题,因此结合两者,本文有两个出发点,一是在考虑自旋轨道耦合后输运行为是否会出现“0.7反常”现象,另一个是分析我们的研究体系如何激发自旋电流。本文的第二部分介绍了正常费米气体通过量子点接触的输运行为。首先对量子点接触的实验构架进行了简单的介绍,随后介绍了量子点接触的基本概念。之后我们从理论的角度综述了实验结果,最终我们的结果与实验结果一致,综述结果表明在无相互作用费米系统中,电导随门电压的变化呈现出量子化的阶梯状,这一现象将物质的量子性质变得显而易见,为介观物理学提供了重要的见解,这一结果可以用兰道尔——布蒂克(Landauer-Büttiker)公式很好的描述。本文的第三部分研究了具有拉曼诱导自旋轨道耦合的费米气体之间通过量子点接触的粒子输运和自旋输运。我们表明,由于量子点接触的介观尺度,粒子电导和自旋电导都表现出了量子化的结构。与普通费米气体相比,整个参数空间的自旋轨道耦合效应增强了粒子电导量子化阶梯的高度。这意味着在介观实验中观察到的“0.7反常”现象不可能纯粹由自旋轨道耦合引起。此外,在该系统中我们还研究了自旋电流的产生。我们发现,在双光子失谐消失的情况下,自旋电流只能由两个原子库之间自旋差的偏置引起。当双光子失谐不为零时,自旋电流也可以由两个原子库之间的总粒子数的偏置产生,这可能在信息存储和计算方面具有潜在的应用。