I den teoretiska beskrivningen av kvantringar och deras interaktioner med elektromagnetiska fält är det centralt att förstå Lindblad-termerna och deras derivat. De ger en viktig beskrivning av det öppna kvantsystemets dynamik. Det finns två huvudsakliga metoder för att härleda dessa termer i litteraturen. Den första metoden baseras på en mikroskopisk undersökning av systemets koppling till ett externt reservoar, vilket representeras som ett bad av oscillatorsystem. Den andra metoden använder sig av Monte Carlo-metoden och kvanthopp, en strategi som ofta föredras i teorier kring kvantinformation och mätning, eftersom den bättre matchar den probabilistiska synen på kvantsystemets utveckling. I denna beskrivning betraktas den tidberoende utvecklingen av systemet som en sekvens av koherenta perioder av Hamilton-dynamik och inkohärenta händelser som sker med en viss sannolikhet. Mikroskopiska ursprung för de inkohärenta processerna antas vara närvarande utan ytterligare förklaring.

I denna ram kan Lindblad-termerna uttryckas genom en total superoperator. Genom att balansera pumpning och dämpning etableras ett stationärt tillstånd, vilket beskrivs av en densitetsmatris som representerar detta tillstånd. De specifika parametrarna i detta sammanhang, som t.ex. PMC, γMC och γ2LE, leder till ett stationärt tillstånd med icke-divergenta populationer. Det är dock viktigt att observera att den specifika experimentella uppställningen som leder till dessa parametrar inte behandlas här, och vi nöjer oss med att påpeka att dessa parametrar är realistiska för experimentellt tillgängliga system.

Vidare är det viktigt att förstå de optiska övergångarna mellan tillstånd i ett kvantsystem, särskilt när dessa övergångar induceras av elektromagnetiska fält. Enligt den första ordningens tidberoende perturbationsteori kan övergångsratten mellan två olika tillstånd i ett system beräknas med hjälp av Fermi's gyllene regel. I det här fallet, när ett svagt elektromagnetiskt fält stör systemet, orsakar det övergångar mellan de kvantmekaniska tillstånden. Specifikt beskrivs det elektromagnetiska fältet av en vektorpotential A(r,t), och den relaterade elektriska fältstyrkan beräknas som tidsderivatan av denna potential. Genom att applicera dipolapproximationen, där antagandet är att Qr är mycket litet, kan vi förenkla uttrycken och beräkna övergångsratten mellan olika tillstånd i systemet.

För att förstå hur dessa teorier tillämpas på kvantringar är det också relevant att undersöka fenomen som Aharonov-Bohm-effekten. Denna effekt, där en laddad partikel påverkas av ett magnetfält även om den inte rör vid det, är en av de mest intressanta kvantmekaniska fenomenen i ring-liknande strukturer. Speciellt för kvantringar är det vanligt att man studerar hur partikelenergin ändras beroende på det magnetiska flödet genom ringen. Denna förändring orsakar magnet-flux beroende oscillationer av energi, vilket är en nyckelfunktion hos kvantringar. Dessa oscillationer kan emellertid dämpas om ringens form deformeras eller om ett lateralt elektriskt fält appliceras, vilket minskar systemets symmetri.

Vidare finns det andra fysikaliska kvantiteter som kan visa ännu mer uttalade magneto-oscillationer när symmetrin hos ringen reduceras. En särskilt intressant effekt är att den elektriska dipolmomentet hos en kvantring kan ändra sig periodiskt som en funktion av det magnetiska flödet. Detta fenomen har nyligen börjat uppmärksammas, och det utgör den centrala fokusen i detta arbete. När man undersöker dessa magneto-oscillationer av det elektriska dipolmomentet, är det också nödvändigt att förstå hur dessa fenomen beror på externa elektriska och magnetiska fält samt temperatur. De matriselement som definierar selektionsregler för optiska övergångar i kvantringar visar att dessa övergångar kan ske vid terahertz-frekvenser för experimentellt tillgängliga kvantringar.

För att kunna förstå de optiska selektionsreglerna för intraband-övergångar är det avgörande att ta hänsyn till både de elektriska och magnetiska fälten. Genom att justera dessa externa fält kan man tunna polarisationsegenskaperna hos den associerade terahertz-strålningen, vilket potentiellt öppnar upp nya teknologiska tillämpningar.

Det är också av betydelse att förstå kvantringarnas praktiska tillämpningar. Eftersom kvantringar kan uppvisa olika kvantmekaniska effekter beroende på externa fält och systemets geometri, erbjuder de en rik potential för teknologiska innovationer inom områden som kvantdatorer, kvantkommunikation och sensorteknik. Speciellt är det den noggrant kontrollerade manipulerbarheten av optiska övergångar och deras beroende av externa faktorer som gör dessa system intressanta för framtida tillämpningar.

Hur påverkar elektromagnetiska fält excitoner i kvantringar?

Kvantmekanikens tillämpningar på material som är formade som kvantringar, särskilt när dessa är utsatta för elektromagnetiska fält, är ett fält som fascinerar forskare på grund av de komplexa och intressanta fenomenen som uppstår på mikroskopisk nivå. Kvantringar är strukturer där de elektroniska tillstånden är kvantiserade, vilket gör att de reagerar på externa fält på sätt som skiljer sig från traditionella material. När dessa system påverkas av elektromagnetiska fält, får vi en rad fenomen, inklusive förändringar i excitonens dynamik och optiska egenskaper. Ett särskilt intressant fenomen är hur terahertzstrålning kan stimuleras genom exciton-polaritonstrålar i dessa system.

Excipolaritoner är kvasi-partiklar som uppstår genom stark koppling mellan excitoner, det vill säga elektroner som är bundna till hål, och fotoner i ett mikrocavity-system. I sådana strukturer, som ofta består av semikonduktorer eller kolnanorör, kan polaritoner uppvisa mycket ovanliga egenskaper, till exempel polaritonlasning vid rumstemperatur. När dessa polaritoner utsätts för ett elektromagnetiskt fält, särskilt ett terahertzfält, kan det resultera i en mängd olika optiska och elektroniska fenomen. Den största av dessa är kanske den stimulerade emissionen av terahertz-strålning, vilket kan leda till en ny generation av optoelektroniska enheter.

I en studie av terahertz-emission i semikonduktormikrocavitetter konstaterades att när en sådan kvantstruktur utsattes för ett intensivt elektriskt fält, visade materialet förmågan att generera terahertz-strålning under vissa förutsättningar. Detta har visat sig vara av stort intresse för utvecklingen av nya lasrar och andra optoelektroniska enheter. Terahertzstrålning, som befinner sig mellan infraröd och mikrovågsstrålning på det elektromagnetiska spektrumet, har särskilt stor potential inom områden som bildbehandling, kommunikation och säkerhet.

Kvantmekaniska beräkningar och experimentella resultat har visat att elektronernas beteende i sådana system inte kan förklaras med klassiska teorier. Till exempel, när kvantringar undergår en Aharonov-Bohm-effekt (där den elektriska strömmen påverkas av ett magnetfält genom ett kvantfysiskt fenomen), kan det uppstå kvantiserade energitillstånd som är känsliga för både elektriska och magnetiska fält. Denna känslighet gör kvantringar till idealiska system för att studera grundläggande kvantfysikaliska fenomen och för att skapa avancerade enheter.

Fältet av kvantringar och deras interaktion med elektromagnetiska fält är relativt nytt, men det har redan lett till utvecklingen av många intressanta applikationer. En sådan applikation är användningen av kvantringar i terahertz-källor och polaritonlasrar, som potentiellt kan erbjuda en plattform för utvecklingen av ny typ av strålningsgenererande enheter. När kvantringar utsätts för ett eksternt elektriskt fält, kan deras optiska egenskaper förändras dramatiskt, vilket i sin tur öppnar upp nya möjligheter för att kontrollera ljus på mycket små skala, något som är av stort intresse inom utvecklingen av kvantkommunikation.

För att ytterligare förstå de mekanismer som styr dessa fenomen är det avgörande att överväga effekterna av ytfält och hur dessa kan påverka kvantringarnas elektronstruktur. Genom att analysera kvantmekaniska tillstånd och deras svar på externa fält kan vi förutse och kontrollera materialets respons på olika typer av elektromagnetiska interaktioner, vilket är avgörande för att utveckla enheter som använder dessa fenomen för praktiska tillämpningar.

Därtill är det viktigt att förstå att det inte bara är själva kvantringens form och storlek som påverkar dess egenskaper, utan även de materialval som görs och de specifika externa fält som appliceras. Genom att justera dessa parametrar kan forskare skapa material med egenskaper som är skräddarsydda för olika tillämpningar inom både grundforskning och teknologi. De senaste framstegen inom området pekar på att kvantringar kommer att spela en central roll inom utvecklingen av nästa generations optoelektroniska och kvantoptiska enheter.

Hur påverkar vertikala elektriska och magnetiska fält livslängden och oscillatorstyrkan i kvantprickar?

Den kontrollerade transformationen av en isolerad laddningsbärare från en skiva till en ringform med en justerbar radie genom ett vertikalt elektriskt fält är en fascinerande egenskap hos de nuvarande V-formade kvantprickarna. Detta fenomen undersöks genom att studera hur den radiativa livslängden (τB) beror på det vertikala elektriska fältet (F). Exempel på uppmätta livslängder för kvantprick QD1 visar att den minsta livslängden (τB = 0,77 ns) inträffar vid ett fältstyrka på omkring F = 30 kV/cm, för att sedan öka med F.

För att kunna beräkna oscillatorstyrkan (f) från livslängden (τB) används följande formel:

f=3h2c3ϵ0m02nπq2EXτBf = \frac{3 h^2 c^3 \epsilon_0 m_0}{2n \pi q^2 E_X \tau_B}

där h är Plancks konstant, c är ljusets hastighet, ε₀ är vakuumpermittiviteten, m₀ är elektronen massan, n är refraktionsindexet, q är den elementära laddningen, och Eₓ är excitonens energi. I simuleringarna beräknas oscillatorstyrkan först för ett homogent medium, baserat på överlappningsintegralen ⟨ψe | ψh⟩² mellan elektronens och hålets vågfunktioner i kvantpricken. Denna approach är relaterad till det så kallade starka konfineringsregimen, där kvantprickens radie (rQD) är mindre än Bohr-radien för bulk-exciton (λB).

Vid starkt confinement antar man ett maximalt oscillatorstyrka på fmax = EP / ω0 = 18,5, där EX = 1,562 eV och EP = 28,8 eV. Den radiativa livslängden (τS) för ett exciton i starkt confinement kan beräknas genom att kombinera de två formlerna för oscillatorstyrka och livslängd:

τS=3h2c3ϵ0m02nπq2EXEP⟨ψe∣ψh⟩2\tau_S = \frac{3 h^2 c^3 \epsilon_0 m_0}{2 n \pi q^2 E_X EP \langle \psi_e | \psi_h \rangle^2}

Simuleringarna visar på en fundamental skillnad mellan experimentella och simulerade livslängder, särskilt vid högre fältstyrkor. Till exempel, vid F = 50 kV/cm är den simulerade τS = 7,2 ns, vilket är mer än sex gånger längre än den uppmätta τB = 1,15 ns. Detta tyder på att det antagna starka confinementsregimen inte är tillämplig på den V-formade kvantpricken, eftersom en ökad fältstyrka får hålet att röra sig mot vingen av kvantpricken, där det omvandlas till en kvantring med en ökad effektiv radie.

Det elektriska fältet orsakar en förändring i sannolikhetsdensiteterna för elektronen och hålet. Elektronen förblir koncentrerad vid spetsen av den V-formade kvantpricken, medan hålet förflyttar sig till vingen och bildar en kvantring med en större effektiv radie. När hålets radie (rh) överstiger Bohr-radien (λB), inträffar ett skifte från stark till svag confinement, där en så kallad "gigantisk" oscillatorstyrka antas. Denna starka förändring i oscillatorstyrkan leder till mycket kortare livslängder än de som uppmätts experimentellt, och en mer realistisk modell måste kombinera både starkt och svagt confinement.

En empirisk expression för oscillatorstyrkan i denna kombinerade stark-svag confinement kan beskrivas som:

fSW=fS(⟨ψe∣ψh⟩2)⋅fW(rhλB)f_{SW} = f_S(\langle \psi_e | \psi_h \rangle^2) \cdot f_W \left( \frac{r_h}{\lambda_B} \right)

Denna uttryckning bekräftar idén om att hålet vid svagt confinement beter sig annorlunda än elektronen i starkt confinement, vilket ger en mer realistisk simulering som överensstämmer med experimentella data. Det är denna asymmetriska stark-svaga confinement som kan betraktas som en ny typ av kvantmekanisk confinement, som ännu inte har observerats i andra sammanhang.

Vidare undersöks i denna kontext även påverkan av ett magnetfält. Genom att lägga till ett vertikalt magnetfält kan energi-nivåerna för laddningsbärare i kvantpricken delas upp i enlighet med Fock-Darwin-modellen. Här simuleras effekten av både elektriska och magnetiska fält på kvantprickarna, vilket kan leda till ytterligare insikter om kvantmekaniska fenomen och deras optiska egenskaper.

För att verkligen förstå dynamiken i dessa kvantprickar måste man beakta att de inte bara är beroende av elektriska och magnetiska fält, utan också av den unika geometrin hos den V-formade kvantpricken. Den komplexa interaktionen mellan elektroner, hål, fältstyrkor och geometriska former gör att det krävs en noggrant anpassad modell för att förutsäga livslängder och oscillatorstyrkor på ett realistiskt sätt.

Hur man balanserar tillförlitlighet, användbarhet och säkerhet i komplexa system
Hur fungerar arbetsfasen i hydrauliska slagmekanismer?
Vad händer när förflutna känslor möts med verkligheten?
Hur fungerar kunskapsinfrastrukturen för metakognitiva agenter i OntoAgent-arkitekturen?
Hur kan svärmintelligens förbättra design och drift av cyberfysiska system?