InAs/GaSb二维异质结构在磁场下的电子态性质研究

InAs/GaSb based low dimensional heterostructures have attracted much attention in both fundamental physics and industrial applications because of its special properties of the band structure. It is one of the best candidates for making infrared detectors. It is essential for better or new device design that we have a deep and thorough understanding of the electronic properties. Some issues in this area remain unsolved till now, although lots of research have been done through the last decades. For instance, in recent magneto-optical experiment of InAs/GaSb quantum wells, they discover some double-peak structure under high magnetic field in the magneto-absorption spectrum, which are hard to explain theoretically. In this project, we are planning to make a thorough study of the electronic properties of this system. We will find out the influence of some inner and outer factors on the electronic and optical properties, based on which we will on one hand compare the theoretical result with the latest experiments, and on another hand provide useful information for improving the device performance. We wish our research would be useful for device design based on InAs/GaSb low dimensional heterostructures.

InAs/GaSb低维异质结构因其特别的能带性质而在基础物理研究及工业应用方面都备受关注。它是制作红外探测器的理想材料之一。我们对其电子态性质的深入和全面的了解是设计高效器件、探索新应用的基础。近几十年来，人们已经从实验和理论两个方面对这个体系的电子态进行了很多研究，但至今仍然有一些问题没有弄清楚。比如，近期的磁光谱实验发现在强磁场下体系的吸收谱出现了一些双峰结构，但这些吸收峰在理论上尚找不到来源。我们的项目将从最基本的模型参数开始，试图对这个体系的电子态性质做一个全面细致的研究。我们将给出体系内在（结构、掺杂、应力、界面等）和外在（磁场、入射光方向和偏振）因素对电子态和光谱性质的影响情况，据此一方面和最新的实验结果做对比并试图解释实验，另一方面提供能够提高相关器件性能的信息，以期对基于InAs/GaSb低维异质结构的器件设计工作提供有益参考。

近年来InAs/GaSb低维异质结构在基础研究和工业应用两方面都备受关注。基础研究方面，InAs/GaSb量子阱被发现是拓扑绝缘体，其中的拓扑边缘态作为凝聚态体系的新物态引起了广泛的研究兴趣。应用方面，InAs/GaSb低维体系可用于制备红外探测器、单光子源和纠缠光子源等重要光电子器件。本项目应用多带k·p计算方法，研究了InAs/GaSb量子阱和短周期超晶格的电子态和磁吸收谱，考虑了应力、生长晶向、库伦作用等因素的影响，与磁光谱实验结果进行了对比，能够定性解释实验中观测到的双峰结构，但由于缺乏掺杂等实验参数的准确数据，双峰的位置和间距难以与实验定量吻合。我们研究了InAs/GaSb刻蚀量子点中的拓扑边缘态的性质，发现边缘态的存在受到量子点半径的影响，当半径小于某个临界值时，将不存在边缘态。对于半径较大的量子点，边缘态能谱呈现出等间距的性质，这在没有外场驱动的低维固体体系中是很少见的。边缘态能量间距大概在THz范围，这可能对拓扑量子点在THz器件中的应用有重要意义。另外，InAs量子点可用于制备单光子源和纠缠光子源，是量子信息、通信、精密测量系统硬件的重要组成部分。我们从理论上研究了如何提高二能级系统的量子Fisher信息问题，提出了通过监控量子轨迹来提高任意参数测量精度的一般化的理论框架，对于实验上提高量子精密测量的精度有重要意义。