激子和电磁激子的凝聚及其Josephson效应

【摘要】激子(电子-空穴对)是导带中电子和价带中空穴通过Coulomb吸引作用形成的元激发,它对半导体的光学性质产生重要的影响。当密度很低时,激子可以看成是Bose子,因此在一定条件下,激子能够发生凝聚。电磁激子是激子与光子强耦合产生的新的激发,它同时具有激子和光子的某些性质。通常情况下,半导体微腔是研究电磁激子的一个很好的平台,能给出丰富的物理现象。电磁激子在低密度下也可以看成是Bose子,由于有效质量很小,凝聚的临界温度就较高。在这篇论文中,我们研究了激子和电磁激子的凝聚以及相关的Josephson效应。为了得到较高的激子凝聚体的临界温度,我们在空间分离的碳双层中研究激子凝聚及其相关的性质。在此基础上讨论激子Josephson结的热输运性质。同时,在平面半导体微腔中讨论电磁激子的凝聚及其Josephson效应,并提出用不同的手段调节这个效应。这里的Josephson效应与超导结中的相比,既有相似性,也有不同点,因为我们充分考虑了电磁激子间的相互作用,可以有效地揭示这些特点。论文具体安排如下：在第一章中,我们首先简单介绍激子和电磁激子这两种元激发,以及相关的性质；然后给出研究它们的实验装置；最后对所用的主要理论方法进行介绍。在第二章中,我们在空间分离的碳双层*结构中研究激子的凝聚和Coulomb拖动效应。首先我们给出了零温下激子开始凝聚的临界密度,它与碳双层间电介质的厚度和介电常数有关。在这个结构中,当粒子密度较低且层间间距较小时,激子才会发生凝聚。我们通过引入基态保真度,得到了激子凝聚的相图,它清晰地区分了Bose-Einstein凝聚态(BEC),Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)态,以及它们的交叠区。对于给定的门电压,我们发现超流成分会减小拖动电导。随着门电压的增加,存在拖动电导的极小值,这是由每一碳单层中的纵向电导和超流密度共同作用的结果,这一点可以直接用于对激子凝聚体进行实验测量。在第三章中,我们利用激子凝聚体高的临界温度,构造了碳双层的激子Josephson结,并研究它的热输运。包含准粒子流和干涉流的总热流可以通过两个凝聚体的温度来调节。当温度大于临界值时,干涉流就变为零,而准粒子流依然存在。重要的是,我们在这个装置中找到了热器件中不可缺少的物理效应：一个可以应用于热整流器,在合适的参数下整流比能达到3.3×104%；另一个可以应用于热逻辑门,它的开态和关态可以通过参数调节。在目前的条件下,这些结果都可以通过实验验证。在第四章中,我们在半导体微腔中研究电磁激子放大器的极化和相位问题,发现信号放大率受信号光,泵浦光和闲置光的圆极化度和相位的影响很大。当三束光的强度一定时,信号放大率会在特定的圆极化度和相位差处达到最大值。有趣的是,出射光可以通过相位差从左旋连续调节到右旋或反过来,这个结果可以为自旋依赖的光电器件提供稳定的极化光源。在第五章中,我们在平面半导体微腔中引入一个双阱势,考虑电磁激子的Josephson效应。我们发现可以有效地调节这个效应的两种不同方式：一是利用垂直于微腔平面的外磁场,我们得到一个临界磁场,小于这一值是直流Josephson效应,大于它时是交流效应且Josephson频率与磁场近似成正比,这个结果反映出Zeeman能与相互作用存在竞争。此外,调节磁场还可以获得自发的极化分离和宏观量子自陷效应。另一种调节方式是利用单轴应力,在增加应力的过程中有两个转变点,分别为0-7r转变和直流-交流转变。重要的是,在有相互作用的系统中,Shapiro台阶依然存在,只不过有些台阶可能被相互作用抑制掉了,这是和常规Josephson效应很明显的区别。在最后一章中,我们对这个论文进行总结并展望今后的研究工作。
【作者】张传意；
【导师】金国钧；
【作者基本信息】南京大学，理论物理，2014，博士
【关键词】碳双层；半导体微腔；激子；电磁激子；Josephson效应；

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