一种基于双耦合量子点的近似二能级量子系统的制作方法

本发明涉及一种二能级量子系统，特别涉及一种基于双耦合准二维圆盘形量子点的近似二能级量子系统。

背景技术：

近年，随着精确操控和制备低维结构(小尺寸物质)技术的发展，各种采用低维结构为核心模块的相干辐射源、光控开关、光学放大器等量子光学元器件应运而生。相应的低维结构原理模型涉及它能量空间的能级结构。其中二能级结构是最基本的能级结构单元。自然界中小尺寸物质(比如原子、分子)具有这种分立能级结构，但其中缺少理想的可应用于工程的二能级量子系统。

现有人工二能级结构实空间系统较少见报道。相对常见的可以通过金刚石色心设计二能级系统。该类色心是金刚石中的一种发光点缺陷，往往采用聚焦粒子束注入方式获得。本发明为实现特定光源发光特性，采用结构相对简单的半导体量子点设计相应的二能级结构。半导体量子点可以通过化学合成法、二维电子气电极围造法和自组织生长法等置备。其中二维电子气电极围造法可以直接获得耦合量子点，自组织生长法可以通过多层量子点生长设计所需要的耦合量子点结构参数。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于双耦合量子点的近似二能级量子系统，解决新型相干辐射源等量子光学元器件基本结构单元的设计问题，本发明的结构优点在于全固态、体积小、结构简单、可调谐和较大能效，可应用于设计各种基于二能级结构的太赫兹波源、单光子源等量子光学元器件。

本发明的技术解决方案是：一种基于双耦合量子点的近似二能级量子系统，包括第一量子点、第二量子点；第一量子点、第二量子点半径相等且相距确定距离；第一量子点、第二量子点相互耦合，调整第一量子点、第二量子点的半径或第一量子点、第二量子点之间的距离，两个量子点的原基态劈裂为二能级，其他能级与该二能级间符合能级差判定标准。

所述第一量子点中心与第二量子点中心间的确定距离的取值范围为60nm～80nm，第一量子点、第二量子点半径为10nm。

所述的第一量子点或第二量子点为圆盘形。

所述的第一量子点或第二量子点的材料为半导体材料。

所述第一量子点、第二量子点耦合形成的能级结构中，第三及以上能级与第二能级的耦合效应远小于二能级间的耦合效应。

优选第一量子点、第二量子点之间的距离为60nm。

本发明优点与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明与自然的原子、分子近似二能级系统相比，优点在于参数丰富可调谐性。本发明所采用的量子点的形状、尺寸和点间相对距离等参数具有丰富的可调性，使该二能级能级间距可调谐。

(2)本发明采用的量子点其载流子在空间三个维度方向上受限，量子效应更充分的展示。在相同外光场条件下，半导体量子点具有较大的光学增益。

(3)本发明涉及的量子点为固体、结构简单，在器件研制应用中较易操控。

(4)本发明所设计的耦合量子点结构尺寸小，便于芯片上集成。

(5)本发明采用半导体量子点作为光学元器件微结构，辐射线宽较小，比如应用于单光子源可产生相对精确频率的单频光子。

附图说明

图1为本发明的双耦合量子点结构示意图；

图2为本发明双耦合量子点的有效能级能量值与量子点间距离的依赖关系示意图；

图3为本发明的双耦合量子点特定尺寸和相对距离下的能级示意图(示意最低的三能级)。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的双耦合量子点，即本发明的空间实物形式。它由两个相距确定距离、相等半径的量子点1、2通过量子隧穿耦合组成。为了便于理解，可以把这里的量子隧穿耦合视为电子在两个量子点间穿越，使两个量子点间形成一种类似桥梁的相互作用。一般情况下两个量子点相互耦合，其中的电子能量多于两个值，每个值为一个能级。这里取最小的两个值为二能级的两个能量值，将该耦合结构视为二能级系统。要克服的主要技术问题是设计合理的材料、结构、尺寸和相对距离的配比，使得其它能级对该二能级的影响可以忽略，从而获得所述近似二能级量子系统。

具体地，采用InAs圆盘形半导体第一量子点1和第二量子点2，两量子点1、2的半径r₁、r₂相等且为10nm。调节两个量子点的点间距离d为60nm到80nm的过程中，来自两个量子点原来的基态能级劈裂为系统的两个最低能级，第三能级(虚线)保持远离该二能级(两条实线)，如图2所示。其中纵轴表示电子能量值，横轴表示两个量子点间距离。定性地表明，这两个量子点在该距离范围内时，形成有效的二能级量子系统。

上述方案的原理是：量子尺寸效应使量子点的能态呈分立结构，双量子点间的耦合效应使系统各能级重新分布，其中分别来自两个量子点的两个原基态劈裂为二能级。在两量子点材料、结构和大小确定情况下，量子点间的距离决定了该系统的能级分布和各能态之间的耦合强度。所以通过控制量子点间的距离使得各能级间距和耦合强度满足能级差判定标准m＝μ₁₂/(E₂－E₁):μ₂₃/(E₃－E₂)>1时,电子在该二能级系统与其他能级间的隧穿效应对系统的影响可以忽略，即第三(及以上)能级对该二能级的遂穿作用可忽略。该比值m取值越大说明二能级近似误差越小。

可以通过数值求解薛定谔方程，定量验证本发明的科学性。如图3所示，为两量子点在确定距离d＝60nm时，电子能量值对应的能级示意。其中，采用InAs圆盘形半导体第一量子点1和第二量子点2，两量子点1、2的半径r₁、r₂相等且为10nm，两量子点中心O₁和O₂的距离d符合上述有效隧穿作用范围，取边界值60nm(该值符合要求的话，上述所述距离范围内都符合条件)。则，本发明的二能级间距为E₁₂＝1.25meV，且二、三能级间距E₂₃＝7.6meV，遂穿耦合常数(偶极矩)为u₁₂＝0.8373(e·nm)和u₂₃＝0.54(e·nm)，μ₁₂/(E₂－E₁):μ₂₃/(E₃－E₂)＝9.5>1，表明该耦合量子点为一种近似二能级量子系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。