[论文解读] Coherent control of tunneling in a quantum dot molecule

J. M. Villas-Bôas, Alexander O. Govorov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2004

Molecular Junctions and Nanostructures被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种方法，通过近共振光学泵浦脉冲诱导的拉比振荡，相干控制非对称双量子点（QD）分子中的电子隧穿。通过调节激光强度、频率失谐和门电压，可以增强或抑制量子点之间的隧穿，从而实现对量子态的精确调控，为量子信息处理应用提供可能。

ABSTRACT

We demonstrate theoretically that it is possible to use Rabi oscillations to coherently control the electron tunneling in an asymmetric double quantum dot system, a quantum dot molecule. By applying an optical pump pulse we can excite an electron in one of the dots, which can in turn tunnel to the second dot, as controlled by an external voltage. Varying the intensity of the pulse one can suppress or enhance the tunneling between the dots for given level resonance conditions. This approach allows substantial flexibility in the control of the quantum mechanical state of the system.

研究动机与目标

• 展示通过光学激发在非对称双量子点系统中实现电子隧穿的相干控制。
• 研究外部参数——激光强度、频率失谐和门电压——如何调制隧穿动力学。
• 探讨利用拉比振荡监测和操控量子点分子量子态的可行性。
• 为半导体量子点中量子点间耦合的电-光控制提供理论框架。
• 通过在耦合量子点系统中实现精确的态控制，为潜在的量子信息处理应用铺平道路。

提出的方法

• 使用包含 |0⟩（基态）、|1⟩（第一个量子点中的激子）和 |2⟩（电子位于第二个量子点的间接激子）三个能级的哈密顿量建模系统。
• 应用旋转波近似（RWA）描述激光场与激子跃迁之间的偶极相互作用，拉比频率为 Ω(t) = ⟨0|μ·E(t)|1⟩/(2ℏ)。
• 使用幺正变换消除激光驱动的时间依赖性，简化时间依赖的薛定谔方程。
• 对长持续时间、恒定振幅的激光脉冲，精确求解变换后的薛定谔方程。
• 通过矩阵元 Te 考虑电子隧穿对 |1⟩ 和 |2⟩ 的耦合，由于能级失配较大，忽略空穴隧穿。
• 通过计算状态 |2⟩ 的平均占据数随激光失谐 δ₁、能级分裂 ω₁₂ 和拉比频率 Ω 的变化，分析系统的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用拉比振荡在双量子点分子中相干控制电子隧穿？
• RQ2 在不同共振条件下，激光强度（Ω）如何影响量子点间隧穿概率？
• RQ3 频率失谐（δ₁）和量子点间能级分裂（ω₁₂）在增强或抑制隧穿中起什么作用？
• RQ4 系统能否通过探测激光监测相干动力学，实现实时观测拉比振荡？
• RQ5 是否存在隧穿对激光强度的非单调依赖关系？若存在，其发生条件是什么？

主要发现

• 当拉比频率 Ω 等于隧穿矩阵元 Te 时，量子点间的隧穿可被抑制，特别是在 |1⟩ 和 |2⟩ 能级处于共振（ω₁₂ = 0）时。
• 当 ω₁₂ = 0 时，|2⟩ 态的种群转移在 Ω = Te 时达到最大，与隧穿和光学耦合引起的能级混合一致。
• 当能级初始处于非共振状态（ω₁₂ ≠ 0）时，增加激光强度 Ω 可增强隧穿，最优转移发生在有限 Ω 和 ω₁₂ 值处。
• 当 ω₁₂ = 0.06ω 时，|2⟩ 态的平均占据数在 Ω ≈ 0.03ω 时超过共振情况下的值，表明在非共振区域存在隧穿增强。
• 即使在能级共振时，高激光强度（大 Ω）下也会因动态解耦效应导致隧穿抑制。
• 系统在隧穿概率随 Ω 变化时表现出非单调行为，具体取决于 δ₁ 和 ω₁₂，既可能出现增强，也可能出现抑制。