半导体异质结中量子隧穿寿命的研究

Tunneling effect is a common phenomenon in the quantum physics. Lots of applications are appeared using this effect. For example, tunnel diode, quantum computing, and the scanning tunnelling microscope which have been widely used and promoted the development of science. In recent years, the invention of ultra-fast lasers and attoseconds brings us the field of attosecond science, which making us to pay much more attention in quantum tunneling time measurement. This project reproduce the classic one-dimensional potential barrier (barrier) system using AlAs-GaAs heterostructures. And we combined projected Green's function (PGF) with Lanczos method to compute the tunneling lifetime in this system. Firstly, we modify the stacking layers of AlAs-GaAs heterostructures to realize a barrier width and thickness of symmetrical double barrier. Secondly, we introduce the DC external electric field and alternating electric field to study the influence of the tunneling lifetime in this environment. Finally, we break the systematic symmetry and compute the system again to study the effect. This research help us to have a deeper understanding of the quantum tunneling mechanism, and provide a strong theoretical basis for the future tunneling experiment.

隧穿效应是量子世界中十分普遍的现象。利用该效应所生产的器件如：晶体二极管、量子计算机、隧道扫描显微镜早已得到广泛的应用并推动了科学的发展。近几十年中超快激光和阿秒钟的发明更是为物理学带来了阿秒科学这一新兴领域，这就使得我们需要在这一尺度下对时间的测量——量子隧穿时间的测量给予高度的关注和更深入的研究。.该项目通过砷化铝-砷化镓异质结堆叠重现经典的一维势阱（势垒）体系，利用投影格林函数结合Lanczos方法实现隧穿寿命的精确测量。我们首先调整异质结中砷化铝和砷化镓的堆叠层数来调节出一维对称双势垒的势垒宽度与间距，计算出电子处在该势垒的条件下的隧穿时间。然后我们引入直流外电场或交变电场，继续研究电场环境对电子隧穿时间的影响。最后我们引入系统对称性破缺，观察宇称破缺后一维势垒系统中电子的隧穿规律。这些研究有助于我们对量子隧穿现象的机理得到更加深入的认知，为未来隧穿实验提供有力的理论依据。

量子隧穿时间问题可能是量子力学中最远古却也是最难处理的棘手问题。最近，原子钟实验的成功使得隧穿时间测量得以实现。但理论方面，通过WKB方法计算的结果，对隧穿时间的定义会随着物理的解释不同而有所偏差。本项目将电子放置在双势垒中前后波函数的演化，带来的格林函数虚部作为电子衰减寿命，定义为隧穿时间。理论方上，通过投影格林函数方法结合Lanczos技术，计算一维对称双势垒模型中，隧穿时间与势垒宽度与势垒间距之间的关系。我们发现，当我们固定势垒宽度为7nm时，隧穿时间随着势垒宽度的增加（由0nm提高到5nm），隧穿时间先以线性关系增加，在达到某关键值后（大概在3.5nm）突变为指数关系增加。当计算非对称双势垒体系时，固定势垒间距为10nm，左侧势垒宽度为4nm不变时，通过改变右侧势垒宽度带来的隧穿时间影响，可以看出束缚在双势垒中的电子会“选择”方向进行隧穿。.在研究二维隧穿问题时，我们利用了动力学平均场方法结合量子蒙特卡罗技术作为杂质求解器，没能计算出隧穿时间这个物理序参量，却研究清楚的各向异性的平方格子的量子相变问题，计算出了诸如态密度、双占据数、费米面附近谱函数等物理序参量。.通过本项目中Lanczos方法、量子蒙特卡罗方法的研究，讲研究内容编入了研究生课程《计算物理》的授课当中。