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半导体量子点在库仑阻塞条件下的输运,特别是电流的涨落性质,是半导体纳米器件和固态量子信息领域的研究热点。本论文较为系统和深入地研究了库仑阻塞条件下并联双量子点Aharonov-Bohm(以下简称AB)干涉仪的量子相干输运问题。
首先,利用本组发展的粒子数分辨的量子主方程方法,研究了在封闭路径条件下,该输运系统的电流特性。我们发现在特定的参数条件下(相关耦合系数成特定比例、两量子点能级差为零),会出现奇异的电流开关效应(当磁通φ=2nπ时存在电流;φ≠2nπ时,电流为零)。为了解释这种现象,我们引进了一个幺正的表象变换,使原本纠缠在一起并互相竞争的库仑关联、量子相干两个因素得以分别考虑。在变换表象下,我们对开关效应的产生机制做出了直观的物理解释。并且根据对输运电流演化模拟所得出的不同磁通下电流瞬态行为,验证了这种解释的合理性。
然后,我们利用同样的粒子数分辨的主方程方法,研究了该输运系统的电流涨落特性。我们发现,在特定的参数条件下(相关耦合系数成特定比例、磁通为零),当能级差趋于零时,会出现巨涨落效应,以致Fano因子可以出现发散。在变换表象中,我们对此给出了清晰的物理解释。
进一步,我们将该AB干涉系统与著名的杨氏双缝干涉仪做对比研究,发现了许多非平庸现象。由于光的双缝干涉本质上是一个开放构形(geometry),即光子不会从一个缝(slit)处反射再进入到另一个缝,而是或者通过缝后到达干涉屏,或者散射出去不再返回。与此相似,我们将该电子系统拓展至开放构形,即传输路径并非完全封闭,电子有机会逃逸到外界环境中去,且让其极限情况完全等价于光的双缝干涉。同时,我们还在量子点旁边设置了一个量子点接触(QPC),作为which-way探测器用来研究退相干效应。通过研究这样一个开放干涉仪的输运问题,我们清晰的展示了当系统从完全封闭到完全开放的过程中,干涉图样如何从位相锁定破缺到位相锁定恢复的逐渐转变。在非完全开放情况下,我们对位相锁定破缺的干涉图样做了谐波分析(即多重路径分析),得到了非同寻常的分波(单条高阶路径)相移和退相干特性。进一步,我们还发现,无论是退相干还是开放性,都会导致电流开关效应的消失,并使原先超泊松(super-Poisson)噪声变为泊松(Poisson)类型。
最后,为了使我们的主方程方法能用于更广泛的条件,特别是极低温和任意电压(小偏压)情况,我们初步发展了一套基于自洽波恩近似的量子主方程方案,它以无穷部分求和的方式包含了高阶隧穿过程。对单能级量子点输运,结果与严格的单粒子波函数方法符合良好。对上面的双量子点输运,研究还在进行中,是我们近期的一个重要研究课题。