基于耦合量子点和石墨烯的新型太赫兹波源

The quantum optics is concerned the research of terahertz wave source basing on nanostructures. Some novel results have been obtained by the proposer in this field, particularly, temporal-spatial symmetry theory was proposed[New J. phys., Phys. Rev. A], which revealed the deep quantum mechanism of the selection rule of terahertz wave basing on high order harmonics. The generation of harmonics reported can be well explained by the breaking of temporal symmetry[Phys. Rev. Lett. 94,243901] or spatial symmetry [Phys. Rev. Lett. 87,103901] of the systems. The project is focused on three aspects of the novel quantum mechanism of terahertz source as well as tailoring the emission spectra: first,the generation and tailoring of terahertz wave by the breaking of the temporal symmetry in the system of optically coupled quantum dots;second, the study of optical activity and the tailoring of terahertz wave from hyper-Raman radiation in the system of optically coupled quantum dots; third, the study of the characteristic of terahertz wave in graphene on the considerarion of temporal-spatial symmetry. The studies are meaningful to the applications of terahertz nano-photoelectron device basing on coupled quantum dots and graphene in space, such as quantum communication, remote sensing ,anti-stealth, quantum optics, electronic and spintronic.

基于纳米结构的太赫兹波源研制问题已形成量子光学一个新的研究热点。申请人在该领域提出了原创性的时间-空间对称性理论[New J. phys.,Phys.Rev.A]，该理论揭示了基于高次谐波的太赫兹波辐射模式选择定则的深层量子机制，并可解释已报道的一系列由于系统时间[Phys. Rev. Lett. 94,243901]或空间[Phys. Rev. Lett. 87,103901]对称性破缺引起的谐波产生。本项目将对纳米结构新奇的太赫兹波产生机制及其特性调控展开三个方面研究：1.基于耦合量子点光学系统时间对称性破缺的太赫兹波产生及其调控。2．基于耦合量子点光学系统超拉曼辐射的太赫兹波旋光性研究及其调控。3．基于时间-空间对称性理论的石墨烯太赫兹波辐射特性研究。通过本项目为基于耦合量子点、石墨烯的太赫兹纳米光电子器件在航天领域量子通讯、遥感、反隐形，以及量子光学和自旋电子学的应用提供理论基础。

本项目主要研究基于耦合量子点和石墨烯的太赫兹波产生机理及其特性调控。主要展开了三个方面研究：1.基于耦合量子点光学系统时间对称性破缺的太赫兹波产生及其调控。通过系统设计，使对称破缺引起的超拉曼辐射频率位于太赫兹波段，实现宽波段频率可调(0.1-30THz)、较高功率(强于瑞利辐射)太赫兹波产生理论模型；进一步设计一系列实空间耦合量子点结构，为全波段有效强度太赫兹波产生的实验研究提供理论机制和原理模型。2．基于耦合量子点光学系统超拉曼辐射的太赫兹波旋光性研究及其调控。提出了三能级对称性旋光理论：如果一个三能级量子系统具有结合时间平移和空间变换操作不变性的复合对称性，在该对称操作下初态和哈密顿量不变，而且偶极矩算符具有确定的相位移，那么，辐射谱具有确定的旋光模式。该理论揭示了具有特殊对称性的三能级系统旋光性的深层量子机制。例举设计了具有该类对称性的强旋光性垂直耦合三量子点结构，数值结果与理论预言吻合。该结果应用于太赫兹波段。3．石墨烯量子点太赫兹波辐射特性研究，研究石墨烯量子点体系电子结构及其量子动力学机制；研究石墨烯量子点尺寸对其能态结构进而对太赫兹波辐射性质的影响。本项目为基于耦合量子点、石墨烯的太赫兹源研制提供原理设计。