基于准玻色子方法的半导体纳米结构中相干激子超快动力学研究

基于半导体纳米结构的量子器件对量子光学与量子信息学的实际应用有着不可忽视的重要性。随着近年来压缩态光场、双光子纠缠态在量子阱、量子点中的实现，半导体量子光学这一新的研究领域获得了越来越多的重视。由于半导体纳米结构拥有大量载流子，对其中多体作用的研究是理解并应用这些系统的理论基础。在以前工作的基础上，我们将专注于半导体纳米结构中激子在在几百飞秒时间尺度上的超快动力学, 以及激子与微腔中量子光场的强相互作用。. 首先，我们利用激子动力学方程发展一个有效作用量并对激子基态系统对太赫兹场的响应进行理论研究；其次，我们将扩展这一效作用量以包含微腔中激子与光场的强耦合；最后我们利用这一作用量并结合数值模拟来探讨基态激子系统的相干性，以及激子与光子在强耦合情况下产生的激子极化子(exciton-polariton)的特性以及可能的应用。

准玻色子方法和基于这一方法发展的激子动力学方程是研究半导体纳米结构中激子超快动力学的有效理论手段.在本课题的研究中,我们围绕这一主题,开展了一系列的研究工作,包括：1) 我们详细讨论了理想和实际量子阱中的激子波函数, 特别是其在动量空间的表示, 并进一步讨论了激子动力学方程方程中所必须系数的计算方法. 通过求解这些系数,我们对量子阱中因激子密度变化而引起的,太赫兹脉冲作用下激子能级间跃迁过程中的非线性效应进行了理论预测, 得到了与实验符合很好的结果；.2) 激子对太赫兹脉冲响应的研究. 在基金申请报告, 我们提出了从激子算符变换到激子的量子态, 并通过建立有效作用量的方法来研究较高密度激子对太赫兹脉冲响应的思路.按照这一思路,我们对半导体量子阱中激子从1s态到2p态跃迁的共振能量随激子密度的变化可以做出准确的预测. 这一较为独特的方法已发表在Journal of Physics: Condensed Matter上. 3)除以上的工作外, 我们还继续在理论上探索了电场偏置下的半导体超晶格对太赫兹脉冲的可能性,并尝试设计出用于放大太赫兹脉冲的最佳半导体超晶格结构和电场. 这一工作目前还未还未发表, 但所进行的理论研究对目前在加拿大麦吉尔大学进行的相关实验具有重要意义. 此外我们还编写了使用变分方法的计算机程序, .用于研究量子阱中不同密度情况下激子的状态以及激子和光子在强相互作用下的状态, 为追踪目前国际上对激子-激发子的研究打下了基础. 4) 在本基金的支持下, 通过与国外专家的合作等, 在国际顶级刊物上发表了论文；配合合作导师的工作, 在有机电致发光效应的研究中也取得了一系列的研究成果.. 在本项青年基金的支持下, 我们的研究工作取得了超出预想的成果. 以上述的研究为基础, 我们在包括Physical Review Letters（三篇) 和Advanced Functional Material（一篇）的重要期刊中发表了共计十余篇论文, 在一次国际会议（美国物理学会2012年春季会议, 美国Boston）和一次国内会议（中国物理学会2012年秋季会议, 中国广州）上分别做了三十分钟邀请报告. 在合作导师的课题组内,有四位博士生（三位已毕业,一位在读）的工作也在一定程度上获得了本基金的帮助.