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Engineering Quantum Criticality for Quantum Dot Power Harvesting

Jin-Yi Wang(王金义), Lei-Lei Nian(年磊磊), and Jing-Tao Lü(吕京涛)

Chin. Phys. Lett. 2024, 41 (2): 020503

DOI: 10.1088/0256-307X/41/2/020503

文章亮点

提出利用量子临界调控光子辅助的电子输运，在临界点附近功率捕获的效率得到了大幅提升，为设计纳米光电转换器件提供了全新的视角。

图1. 功率捕获的效率η随输入功率P_i的演化。虚线表示无克尔非线性U_r=0，实线表示U_r≠0。引入Wigner函数可以发现U_r≠0时发生了一级量子相变，功率捕获的效率在相变点附近得到了大幅提升。

量子临界调控的量子点功率捕获

研究背景

非线性克尔腔是研究耗散量子相变的重要平台。由于光子自由度无穷的希尔伯特空间在单个光腔中也可以观察到热力学极限意义下的临界现象，一旦将克尔光腔与量子点电子线路耦合，可以实现非线性电路量子电动力学，进而开拓其在微波光电转换方面的应用。目前，限于调控手段单一， 微波频段的光电转换很难在量子光伏、光电探测和功率捕获方面得到实际应用。

内容简介

最近，云南大学年磊磊副研究员和华中科技大学吕京涛教授构建了量子点非线性电路量子电动力学模型，揭示了光子激发与电子输运的内在关联，提出了利用光子的临界行为来调控光电转换。在驱动、耗散和非线性的协同作用下，光子激发可以发生一级量子相变。在弱电子-光子耦合机制下，光电流信号显示了同类型的量子临界性，可用于提高功率捕获的效率。此前，该研究组把这个思路应用到了量子光伏的优化上[Phys. Rev. B 108, 085430 (2023)]。

研究意义和重要性

该工作首次提出了利用量子相变调控光电转换，不仅对开发新型集成光电器件具有理论指引，而且促进了量子多体物理和量子输运的交叉融合。

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