半导体量子点结构的高次谐波辐射特性研究

Motivated by the newly experimental works of high-order nonlinear response to strong laser fields in a semiconductor bulk crystal and a quantum well, we intend to make a theoretical study on the interaction of quantum dots (QDs) with strong fields, in order to find some unique properties during high-order harmonic generation (HHG) in low-dimensional confined systems. We construct a theoretical model following the real physical processes in the driven QD structures and make a numerical simulation of dynamic behaviors of the carriers. By analyzing the components of the HHG spectrum and investigating the interference of different quantum trajectories with the help of Floquet theorem and quantum trajectory theory (saddle-point method), we can demonstrate the impacts of quantum effects on the HHG and obtain methods of controlling it, including frequency points, quantum efficiency and polarization properties. The aim of this project is to show the new phenomena emerging in the QDs' HHG spectra with the understanding of the difference and association between HHG in QDs and that in other materials as a precondition. As a result, mechanisms of special emission spectrum pattern and polarization property are found and methods of the HHG control are accessible, which makes a further understanding of the quantum interference and the process of quantum coherence. Our study provides proposals for the design of terahertz source and potential applications in quantum information processing based on QD structures.

本项目选择半导体量子点、耦合量子点为研究对象，以新近的有关半导体晶体和量子阱对强激光场产生高阶非线性响应的实验工作为背景，深入开展半导体量子点结构与强光场相互作用的研究，发现一些基于人造受限系统的独特的高次谐波辐射特性。建立更加贴近实际物理过程的理论模型，数值模拟载流子的动力学行为，借助Floquet定理和量子轨迹理论，分析谐波辐射谱的频率成分并追踪各量子轨迹的干涉情况，研究各量子效应对高次谐波辐射谱的影响，探究调控辐射频点、提高辐射效率、改变辐射偏振状态的方法。研究目标是：区别与联系其它物质中高次谐波辐射的产生机制，在抓住共性特征的基础上展示量子点结构谐波辐射谱中的新特性，揭示产生特殊频谱特性和偏振特性的机制，积累控制高次谐波辐射特性的方法，从而加深对量子干涉效应及量子相干调控机制的认识。本项目的研究为半导体量子点结构在太赫兹辐射源的设计以及量子信息工程中的潜在应用提供理论依据。

本项目以半导体量子点、耦合量子点为研究对象，开展半导体量子点结构与强光场相互作用的研究，旨在展示量子点结构谐波辐射谱中的新特性，发现调控辐射频点、提高辐射效率、改变辐射偏振状态的方法，揭示产生特殊频谱特性和偏振特性的机制，深刻理解非线性效应的量子相干的物理本质。.在本项目中，建立了更加贴近实际物理过程的理论模型，细致研究了强场驱动下，半导体量子点结构谐波辐射的新特性。发展了描述量子点激子体系产生高次谐波的解析模型，研究了带间跃迁与束缚态间跃迁的耦合作用对高次谐波辐射的影响。研究了量子点高次谐波辐射的偏振特性，自然生长的量子点的不对称势给出了各向异性的光耦合通道，驱动场强度的变化带来了辐射场偏振态发生线偏振与椭圆偏振之间的相互转换；分析了导致谐波辐射场偏振状态发生转变的物理实质，指出了量子干涉效应是产生这一现象的前提条件，阐明了跃迁相干抑制对偏振状态的改变起到的决定性作用。评估了耦合量子点高次谐波辐射的量子效率，通过调控耦合量子点的空间位置，有效地改变体系的偶极矩，给出了优化辐射量子效率的方法。.另一方面，我们还十分关注耦合量子点的一些独特量子特性，诸如量子隧穿，永久偶极矩等，对谐波辐射特性的影响。研究了耦合量子点结构中电子共振隧穿与Rabi振荡的关联动力学行为，通过体系的隧穿电流展示了这种复合量子物理过程的动力学特性，指出体系的谐波辐射特性在这种关联效应的作用下将受到大幅调制。细致地探究了耦合量子点体系光学吸收和辐射对外场强度和永久偶极长度的依赖关系，阐明了这一非线性效应对谐波辐射量子效率的调控机制。.本项目形成了研究量子点结构与强场相互作用的理论方法，对深刻理解量子干涉效应和量子相干调控机制具有基础意义。这些新特性和新效应的发现，为半导体量子点结构在太赫兹辐射源的设计以及量子信息工程中的潜在应用提供理论依据。