半导体低维耦合纳米结构的量子输运研究

半导体低维耦合纳米结构是目前凝聚态物理密集研究的重要量子受限系统，兼有可控的量子受限、量子隧穿效应，物理内涵丰富，量子新效应层出不穷。本项目选择耦合量子点、纳米环结构为研究对象，深入系统地开展量子输运相关问题的理论研究。研究方法方面，致力于采用接近实际样品的约束势模型，充分考虑库仑作用、调制外场等物理效应，精确计算受限少体系统的电子结构，以此为起点，求解系统外场驱动下的动力学方程，研究其量子输运行为。本项目的研究内容包括：耦合量子点自旋相关量子输运、光子辅助输运；纳米环结构的隧穿输运及光子辅助输运。本项目的研究目标是：发现耦合量子点自旋相干态的有效调控机制及其在输运电信号上的表征模式，寻找抑制无规核自旋退相干效应的有效手段；发现光电特性优异的耦合量子点、纳米环结构光子辅助输运过程，提出新功能量子光电器件设计方案。

本项目选择耦合量子点、半导体超晶格以及耦合双量子链等低维纳米结构为研究对象，深入系统地开展了量子输运相关问题的研究。本研究采用接近实际样品的约束势模型，在同时考虑库伦相互作用、自旋轨道耦合以及外场效应条件下，解决了精确求解复杂结构体系本征态和动力学演化过程等关键科学问题，发现了半导体低维纳米结构量子输运过程的一些新效应，并提出了相关的新功能量子光电器件设计方案。主要的研究成果有：（1）借助光子辅助输运特性，研究了耦合量子点条件动力学过程，在条件光场不同的共振频率下，实现了两电子态的相干激发和俘获，并用输运电流无损伤检测条件控制的结果，为进一步设计量子信息功能器件提供了理论依据；（2）研究了耦合双量子点系统的自旋极化以及自旋、轨道阻塞问题，依据电子自旋共振、泡利阻塞、共振隧穿以及量子相干的相互作用在正反电压以及快慢自旋反转区呈现的不同电流响应，预言了耦合双量子点的双极自旋过滤、灵敏自旋开关以及自旋转换开关等功能；（3）研究了交流场驱动下耦合量子点电子shuttle的输运特性和量子点shuttle系统中Kondo效应的基本特征，为理解纳电子力学系统的输运特性及相关实验观测提供了理论基础；（4）研究了无序系统输运特性，对链内长程关联、链间短程关联的无序双链的（离）局域和迁移率边等问题进行了深入的研究，为理解DNA等链状大分子中电荷的输运机制提供理论依据；（5）开展了基于半导体超晶格的太赫兹量子级联激光器（QCL）及探测器（QCD）设计方面的研究工作，给出了太赫兹QCL输运特性及光增益特性与子带寿命的依赖关系，研究了各种散射机制对阈值电流及激光辐射粒子数反转的影响，提出了中红外—远红外双光子吸收的QCD理论设计方案，这些理论研究成果极大地推动了合作单位实验工作的进展；（6）研究了耦合量子点的高次谐波辐射特性及其产生机制，将非线性光学过程映射为耦合量子链上的输运过程，对谐波辐射谱、辐射量子效率及谐波辐射偏振特性进行全面研究，为耦合量子点高次谐波辐射作为新型太赫兹辐射源的应用提供理论依据。本项目历时三年，项目组成员取得的科研成果达到了预期的研究目标，圆满地完成了各项研究任务。