周期量级脉冲激光驱动的石墨烯系统中电子相干传输与量子调控研究

The interaction between few-cycle pulsed lasers and matter is a hot research direction in the field of laser physics, and the graphene is a rapidly rising material on the horizon of materials science and condensed-matter physics. The ultrafast dynamics and its quantum control scheme have been given little attention in the current study on graphene. And the studies on electron coherent transmission and quantum control in graphene systems driven by phase-modulated few-cycle pulsed lasers have important significance and potential applications. The project aims to utilize the coupled density matrix equation and Maxwell equations to simulate electron transport and transfer in graphene systems driven by few-cycle pulses. The issues related to particle population manipulated by few-cycle pulsed lasers, carrier Rabi oscillation, and soliton pulse generation are also studied. Then, we will discuss the coherent control of transient electron transport and the ultrafast manipulation of quantum states, and then we will reveal the new phenomena and mechanisms in the dynamics of graphene system driven by few-cycle pulses. Our investigations may have the effect of not only promoting the application of ultrashort pulses in the field of graphene, but also having important role in the research and development of the coherent manipulation of quantum states, ultrafast dynamics, and quantum information science.

周期量级脉冲激光与物质相互作用是当今激光物理领域的热点研究方向，而石墨烯是材料科学和凝聚态物理领域迅速崛起的新兴材料。当前石墨烯方面的研究很少关注其超快动力学过程及相应的控制方案。利用位相调制的周期量级脉冲激光来驱动石墨烯系统，研究该系统中电子相干传输和量子调控具有重要的意义和潜在的应用价值。本项目旨在利用耦合的密度矩阵方程和麦克斯韦方程模拟电子在周期量级脉冲驱动的石墨烯系统中相干传输与转移，研究周期量级脉冲激光相干调控粒子布居、载波拉比振荡、孤子脉冲产生等相关问题，探讨瞬态电子传输相干控制及量子态的超快调控机理，揭示周期量级脉冲激光驱动的石墨烯系统中相干动力学过程的新现象和新机制。这种研究不仅有助于促进超短脉冲在石墨烯领域的应用，而且对量子态的相干操纵、超快动力学和量子信息学等方面的新技术研发有重要意义。

光与物质相互作用的研究仍然是当今量子物理领域的研究热点。石墨烯微纳结构系统和光学微腔耦合系统是材料科学和凝聚态物理领域应用广泛的前沿材料。研究这些系统中的电子/光子相干传输和量子调控具有重要的科学意义和潜在的应用价值。本项目研究了石墨烯系统、原子系统和微腔耦合系统中的布居动力学特性和类拉比振荡、三维原子局域、增强的光子反聚束和声子反聚束效应，以及谐波产生和增强等现象，探讨了这些现象产生的物理机制和相干控制方法。主要结果有：i）在啁啾脉冲驱动的石墨烯微结构系统中研究了布居动力学特性，发现布居随时间的演化呈现出类似于拉比振荡的现象，而且还具有一定的周期性和对称性。ii）研究了激光束通过内置石墨烯的光学环形腔时的传输特性，时域和频域数值模拟结果显示出周期性振荡和动态不稳定性。iii）利用空间位置依赖的原子-场相互作用，通过探测自发辐射光子特性，我们获得了高精度的三维原子局域。iv）在耦合的原子—腔系统中通过分析二阶关联函数得到了增强的光子反聚束和声子反聚束效应。v）在有源微腔中提出了实现三次谐波产生及增强的有效方案，获得了增强的三次谐波产生功率传输和高的转换效率。这些研究结果为原子纳米光刻技术和远程保密通信技术的研发及优化设计提供一定的理论指导，在高速电子和光电子器件、全光开关、芯片级量子信息处理器等器件设计方面具有潜在的应用价值。