耦合双量子点机械振子的制冷机制.pdf

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1、耦合双量子点机械振子的制冷机制张慧云2015年01月中图分类号：O469UDC分类号：530耦合双量子点机械振子的制冷机制作者姓名张慧云学院名称物理学院指导教师江兆潭教授答辩委员会主席张向东教授申请学位级别理学硕士学科专业凝聚态物理学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月CoolingmechanismofadoublequantumdotmechanicalresonatorCandidateHuiyunZhangName:SchoolorSchoolofPhysicsDepartment:FacultyMen-P

2、rof.ZhaotanJiangtor:Chair,ThesisCommit-Prof.XiangdongZhangtee：DegreeMasterofScienceApplied：Major：CondensedMatterPhysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofJanuary,2015Defence:研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已

3、经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要近年来，对于激光冷却原子、离子以及纳米介观系统等领域的研究吸引了大批物理学家的广泛关注，并在物理学众多学科比如量子信息科学、量子光学及激光物理学中迅速发展起来。将纳米机械振子冷却到量子基态之所以成为当下的研究热点，是因为它不仅对高精密测量（如位移探测、质量探测和自旋探测）和量子信息的处理都具有重要

4、的应用价值，而且还可以使量子力学的基本原理得到很好的验证，为纳米介观系统中的量子动力学性质的研究提供较为理想的理论基础和平台。另外，半导体量子点易于集成和扩展，而且它的能级间隙，以及量子点之间的隧穿耦合都可以被很好的调节和控制，从而在量子信息科学研究的应用中，半导体量子点就成为了搭建和组装量子工程装置的实验平台。因此，如何在由量子点和机械振子所构建的系统中，利用电子在量子点输运过程中的隧穿效应以及电子与机械振子之间的电声相互作用，将机械振子高速、有效地冷却至基态是大家十分关注的研究课题之一。在本文中，我们提出了一个全新的冷却机

5、械振子的方案，尝试利用电子在双量子点之间的隧穿与机械振子之间的电声相互作用将机械振子冷却至量子基态。首先，我们设计了一个模型：双量子点通过隧穿势垒与左、右电极相连，被固定在左电极上的左量子点固定不动，被固定在金属悬臂上的右量子点，可以像“单摆”一样左右做微小振动，并且金属悬臂与右电极相连。然后，我们在马尔科夫近似下，利用二阶微扰近似理论推导出了机械振子的约化密度算符的主方程，并在机械振子主方程的基础上进一步推导出了机械振子的速率方程，从而得出机械振子的制冷率和稳态平均声子数两个表达式。最后，我们讨论了此方案中机械振子的制冷条件

6、，数值分析了系统所涉及到的各个参数对机械振子制冷效率的影响，从而给出了系统实现机械振子最大制冷效率时所应满足的条件，最终我们得到了一个重要的结论，即在适当的条件下，电子在量子点系统中即使是从高能级跃迁到低能级同样可以实现冷却机械振子的目的。关键词：量子点；机械振子；主方程；电声耦合；制冷速率；声子数I北京理工大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,thestudiesonthefieldoflasercoolingofanatom,atrappedionornanomesoscopicsystemshavea

7、ttractedwideattentionofalargenumberofphysicistsandrapidlydevelopedinmanydisciplinesofphysics,suchasquantuminformationscience,quan-tumopticsandlaserphysics.Coolingthenanomechanicaloscillatordowntothequantumgroundstatehasbecomeahotresearchspot,duetoitnotonlyhasimporta

8、ntapplicationsinthehigh-precisionmeasurement(suchasdisplacementdetection,qualitydetectionandspindetection)andthequantuminformationprocessi