【摘 要】
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自旋轨道耦合涉及自旋量子比特、量子自旋霍尔效应、马约拉纳费米子等物理基础及其应用研究领域。其中Rashba自旋轨道耦合通过打破结构的反演对称性,为在外部势场中通过控制电子运动来操纵自旋提供了一种有效的方法。实验上利用操控Rashba自旋轨道耦合成功在Ga As量子点、In As纳米线中实现了对自旋量子比特的连续操纵,可能对未来量子信息处理、量子计算产生巨大影响。第三代半导体作为宽禁带半导体材料广泛
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自旋轨道耦合涉及自旋量子比特、量子自旋霍尔效应、马约拉纳费米子等物理基础及其应用研究领域。其中Rashba自旋轨道耦合通过打破结构的反演对称性,为在外部势场中通过控制电子运动来操纵自旋提供了一种有效的方法。实验上利用操控Rashba自旋轨道耦合成功在Ga As量子点、In As纳米线中实现了对自旋量子比特的连续操纵,可能对未来量子信息处理、量子计算产生巨大影响。第三代半导体作为宽禁带半导体材料广泛应用于高性能、低功耗和高极端性能器件中,由于宽禁带的影响,Rashba自旋轨道耦合较弱影响了第三代半导体自旋量子比特的应用,研究中利用电场来增强Rashba自旋轨道耦合。本研究提出利用应力产生的极化场增强Rashba自旋轨道耦合。Zn O/Cd O量子阱结构在应力产生的极化场调控下,该量子阱Rashba自旋轨道耦合系数峰值可达83 me V·nm,比传统的Ga As量子阱高近3个数量级,同时该量子阱对应的Rabi频率可从0.19 MHz增加到4.05MHz,达到Ga As量子点对应Rabi频率相同量级。该研究有助于利用压电效应产生极化电场增强自旋轨道耦合,实现自旋量子比特的操纵,对于第三代半导体自旋量子比特的理论与应用研究具有重要意义。本论文所包含的主要内容如下:（1）研究对比了ZnO/CdO量子阱在普通绝缘态与拓扑绝缘态两类体系下极化场的调控效应,研究了不同结构不同应力对Zn O/Cd O量子阱Rashba自旋轨道偶耦合系数的影响,聚焦于在拓扑态绝缘体态下该量子阱出现的极大Rashba自旋轨道耦合系数与系数非线性变化现象。（2）研究了第三代半导体材料作为自旋量子比特材料的可行性,从理论上计算了Zn O/Cd O量子阱用作自旋量子比特材料的各项性能参数,各项参数与目前报道的Ga As量子点参数处于同一量级。同时对制备该Zn O/Cd O量子阱的难点进行调研,论证了实验上可行性。（3）对其他第三代半导体材料组成的量子阱体系中极化场调控进行分析,研究极化场调控自旋轨道耦合系数的物理机制。计算结果按照能否在应力调控下发生能级反转变为拓扑绝缘态可分为两类:在Zn O/Cd O、Ga N/In N量子阱等能级反转体系中系数有峰值且非线性变化;在Zn O/Mg O、Al N/Ga N等量子阱未发生能级反转体系中系数线性变化。以Ga In N/Ga N量子阱为例研究了在不同比例情况下极化场对自旋轨道耦合的调控。
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