威尼斯在线平台:物理研究所等无机合成物半导

日期:2019-12-01编辑作者:威尼斯在线平台

原标题:石墨烯最新Science:检测固态系统中电子间相互作用的“指纹”

半导体量子点是三维受限的准零维纳米结构,由于量子限制效应,其态密度分布呈现为一系列的分立函数,从而使其具有独特的光学性质和量子特性。由于半导体自组织InGaAs量子点的生长和加工工艺可以与传统的半导体工艺相结合,且激子及自旋具有较长的相干时间,因此其在光电子器件以及量子信息科学等领域具有重要的应用,比如单光子源、激子和自旋比特、量子逻辑门和量子存储等。单电荷及其自旋态的制备与操控是实现这些应用的基础。

量子-相对论物质(quantum-relativistic matter)是自然界中极为普遍的存在,也是众所周知难以探测的物质。根据量子理论,通过施加电场或者磁场产生限域效应可以加强电子间的相互作用,从而为探测强关联量子体系中的一系列奇异物质和现象提供可能性。以此为依据,量子点在磁场中(量子霍尔态)时,人们认为库伦作用和朗道能级间载流子的重新分布能够典型的婚礼蛋糕型电子能级结构。虽然有研究在经历超流-莫特绝缘体转变过程的超冷原子中观测到过相似结构,但在固态系统中实现相应的观测依然是一个巨大的挑战。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室光物理重点实验室许秀来课题组与研究员金奎娟、日立剑桥实验室David A. Williams、复旦大学教授盛卫东合作,对半导体InGaAs量子点在电场、磁场调节下的荧光光谱进行了系统、深入的研究,并取得了一系列的进展。他们制备了单量子点的肖特基二极管,通过电场和磁场实现了单个量子点中不同带电激子态的精确调控【Appl. Phys. Lett. 105, 041109 。在此基础上,他们首次通过磁场对单量子点中波函数的纵向调控,实现了量子点中电偶极矩翻转。对于一般金字塔形量子点来说,空穴的波函数由于受到纵向应力的影响通常分布在金字塔的底部,而电子波函数在纵向相对分布均匀,从而导致电子波函数质心相对于空穴更接近金字塔顶端,形成正向固有电偶极矩。通常情况下这种固有电偶极矩跟In组分有关,量子点的生长结束,固有偶极矩方向随之确定。通过对金字塔形量子点进行磁场调控发现,当施加从量子点基底指向顶点方向的磁场时,由于回旋共振空穴的波函数在基底平面内将会受到压缩,由于量子点中从顶部到基底线性减小的限制作用,在空穴波函数收缩的过程中,其质心将会向量子点顶部移动。而对于纵向分布相对均匀的电子而言,其波函数质心几乎不移动。从而实现了固有偶极矩的大小和方向的磁场调控,相关文章发表在Scientific Reports. 5, 8041 。

美国国家标准与技术研究院的J. A. Stroscio(通讯作者)等人利用隧道测量技术成功地将环形石墨烯谐振器中空间约束和磁约束之间的相互影响可视化,并直接观测到了电子相互作用的痕迹。石墨烯是一种表面暴露大量电子的二维材料,因此被认为是研究外加场中能级变化的理想材料。研究人员首先将石墨烯器件冷却到绝对零度左右,以便创造量子点-小岛作为人工原子,在强度为1特斯拉的磁场中,量子点中的电子堆积更加紧密,相互作用也被加强,最终这些电子将被以导电-绝缘同心环交替的形式进行重排。通过扫描隧道显微镜,不同电子能级的同心环图像被堆放在一起最终实现婚礼蛋糕型结构。因此这一研究为极端条件下观测和了解量子-相对物质的行为提供了有效的方法。2018年8月24日,相关成果以题为“Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots”在线发表在Science上。

同时他们通过反常抗磁效应直接观测到了单个量子点与浸润层的耦合形成的多体激子态。高激发功率条件下,光生载流子首先填满量子点的激发态然后逐渐填充二维浸润层,此时电子空穴通过库伦相互作用形成多体激子态。在磁场的作用下研究光致发光光谱,当浸润层中的电子与量子点中的空穴复合后,由于二维浸润层中电子的波函数扩展,观测到了非常大的“正”抗磁现象,其抗磁系数接近体材料的抗磁系数,比量子点中激子的抗磁系数大了一个数量级。当量子点中的电子和空穴复合后,观测到了非常大的反常“负”抗磁现象,其抗磁系数是量子点中激子的负抗磁系数的5倍左右。这是由于电子空穴复合发光后,失去了空穴的吸引,量子点激发态剩余的电子波函数扩展到浸润层,量子点平面内末态波函数扩展比初态大很多所导致的。发射光子的特性依赖于浸润层中电子波函数的扩展意味着零维和二维体系的耦合,这种现象也通过施加不同方向的磁场进行了实验验证。通过磁场观测零维和二维体系中的杂化态,对研究量子体系中的多体物理以及实现固态量子信息处理具有重要的意义。相关文章发表在2015年12月的Nano Research上。

图1 磁场作用下石墨烯量子点中能态演变示意图威尼斯在线平台 1(A)石墨烯量子点谐振器的器件外形

以上工作得到了科技部“973”项目,国家自然科学基金重大研究计划、面上项目,以及中国科学院百人计划等的资助。

(B-E)上图表示随着磁场强度增大,电势分布变化(灰色)和相应波函数密度(橙色);下图表示磁场强度变化与半经典轨道的关系图2 从空间量子化到磁通量子化过程中能态凝聚的可视化威尼斯在线平台 2(A-I)利用微分电导成像手段绘制局域能态密度(LDOS)与施加磁场的关系(磁场磁感应强度从0依次增大到3.5T),同时展示了在高强度磁场中空间约束量子点能态凝聚成朗道能级(LLs)过程的流形(manifolds)变化

文章链接:1 2

(J)通过(A)到(I)图像获得的n,m=1/2能态的能量位置图3磁场中量子点能态的微分电导空间绘图威尼斯在线平台 3(A-D)在x-y平面上特定能量的微分电导绘图(磁感应强度从0依次增大到4T,其中特定能量均对应于图2中观测到的量子点能态),随着磁场磁感应强度增大,图中圆环不断变窄,与图1中(B)到(E)的轨道漂移相互对应。图4 电子相互作用及婚礼蛋糕型结构 威尼斯在线平台 4(A)不同磁感应强度(实线)以及基于图2(A)(虚线)所对应的有效势

威尼斯在线平台 5

威尼斯在线平台 ,(B)由理论模型计算所得的载流子密度(磁感应强度为4T,灰色区域为不可压缩区域,虚线为可压缩极限中的电荷密度)(C)由理论模型计算所得的朗道能级(磁感应强度为4T,灰色区域为不可压缩区域)(D)根据(A)中屏蔽势(screened potential)计算所得的局域能态密度绘图(E)微分电导绘图(样品偏压与距离的关系)展示了量子点中朗道能级的婚礼蛋糕型结构(F)利用(A)中数据对局域能态密度进行模拟处理(G)(E)中偏压6mV处绘图的x-y切面 该项研究通过结合量子科学和固体物理,利用磁场将石墨烯中的电子约束成一系列同心环,扫描隧道显微镜通过记录这些电子流动揭示了呈现婚礼蛋糕型电子能级结构,使得研究人员可以从实验角度认知到约束空间内电子间的相互作用。这些成果不仅为研究强约束相对论物质(strongly confined relativistic matter)奠定了基础,还具有推动量子计算发展的应用前景。

图1 激子固有电偶极矩随磁场的变化。随磁场的增加,偶极矩值由正变负,表明磁场调控电子空穴波函数发生倒置,如图内电子和空穴波函数变化示意图所示。

本文由威尼斯在线平台发布于威尼斯在线平台,转载请注明出处:威尼斯在线平台:物理研究所等无机合成物半导

关键词:

国际翻译学斟酌能源,机译已对国际贸易发生重

原标题:译事 | 最新研究!机器翻译已对国际贸易产生重大影响 一、主要翻译研究数据库: 作为智库型研究与资讯平...

详细>>

无线传感网络初学笔记,网安学术

原标题:【网安学术】一种改进的无线传感器网络检测架构研究  无线传感网络(wireless sensornetwork),由部署在...

详细>>

考古发现,地球上最后的秘密花园

原标题:地球上最后的秘密花园,是蝴蝶专家用 Google 地球发现的 在你心中,考古学家是否总是风尘仆仆地奔赴无人...

详细>>

威尼斯在线平台:黄河仍在扩充着华东平原,为

原标题:黄河仍在扩张着华北平原,200年后渤海或将成为华北平原的一部分 问:为什么淮河没有出海口? 黄河每年有...

详细>>