تشدیدهای تداخل چندترازه در سیستم‌های کوانتومی چهار‌ترازه‌ی به‌طور قوی تحریک‌شده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 دانشجو

2 عضو هیات علمی

چکیده

در این مقاله، تشدیدهای چندفوتونی چندترازه‌ در یک سیستم کوانتومی چهارترازه‌ی به‌طور قوی تحریک‌شده، را مورد مطالعه قرار می‌دهیم که در آن یک تراز به‌صورت دوره‌ای، شکاف‌های انرژی ثابت E و 2Eبین سایر ترازها را جاروب می‌کند. در نزدیکی شرایط تشدید چندفوتونی به‌طور کیفی رفتارهای متفاوتی به‌ازای تعداد فوتون‌های زوج یا فرد پیدا می‌کنیم. این پدیده را برحسب گروه‌هایی از مسیرهای تداخلی سیستم چندترازه توجیه می‌کنیم. برای تحلیلی دقیق، مبتنی بر رفتار اختلالی برحسب پارامترهایی کوچک که حد تحریک قوی را مشخص می‌کنند، رژیم وافازی قوی که به‌وسیله‌ی افت‌وخیزهای نویز سفید گـوسی بر روی هـر یک از تـرازهای انرژی غیرمختـل مدل‌سازی می‌شود را معـرفی می‌کنیم. در این رژیم، آهنگ‌های گذار بین ترازی را محاسبه نموده و مرتبه‌ی چهارم در جفت‌شدگی‌ها را به‌دست می‌آوریم. سرانجام نتایج ‌به‌دست آمده را به مشاهدات تجربی که درآن‌ها جریان از طریق نقاط کوانتومی دوگانه‌ی اسپین سد‌شده در حضور میدان متناوب اندازه‌گیری شده است، مربوط می‌سازیم. که این موضوع به انواعی از سیستم‌های حالت‌جامد و اتمی یا مولکولی مربوط می‌باشد. این تحقیق به‌طور خاص مکانیزمی واضح برای توجیه مشاهدات تجربی مبهم در نقاط کوانتومی دوگانه‌ی به‌طور قوی تحریک‌شده ارائه می‌نمایند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Multilevel Interference Resonances in Strongly Driven four-Level Quantum Systems

چکیده [English]

In this paper, we study multilevel multi-photon resonances in a strongly driven four-level quantum system, where one level is periodically swept through other levels with constant energy separation E and 2E. Near the multi-photon resonance conditions, we find qualitatively different behavior for the number of even or odd photons. We explain this phenomenon in terms of families of interfering trajectories of the multilevel system. For beginning our detailed analysis based on a perturbative treatment in terms of the small parameters that characterize the strong driving limit, we introduce the strong-dephasing regime that is modeled by Gaussian white-noise fluctuations on each of the unperturbed energy levels. Within this model we calculate the rates of inter-level transitions, working up to fourth order in the couplings. Finally, we connect our results to the experiments in which current through spin-blockaded double quantum dots was measured in the presence of strong ac driving. The setup can be relevant for a variety of solid state and atomic or molecular systems. In particular, it provides a clear mechanism to explain recent puzzling experimental observations in strongly driven double quantum dots.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Quantum dot
  • Interference phase
  • Strong dephasing regime
  • Transition rate
  • Multi-level interference resonances
 

[1] M. Mark, F. Ferlaino, S. Knoop, J.G. Danzl, T. Kraemer, C. Chin, H.-C. Nägerl, R. Grimm, Spectroscopy of ultracold trapped cesium Feshbach molecules, Physical Review A 76 (2007) 042514.

 

 [2] F. Lang, P.V.D. Straten, B. Brandsttter, G. Thalhammer, K. Winkler, P.S. Julienne, R. Grimm, J. Hecker Denschlag, Cruising through molecular bound state manifolds with radio frequency, Nature Physics 4 (2008) 223.

 

[3] W.D. Oliver, Y. Yu, J.C. Lee, K.K. Berggren, L.S. Levitov, T.P. Orlando, Mach-Zehnder interferometry in a strongly driven superconducting qubit, Science 310 (2005) 1653.

[4] X-M. Tong, S-I. Chu, Time-dependent density-functional theory for strong-field multiphoton processes: Application to the study of the role of dynamical electron correlation in multiple high-order harmonic generation, Physical Review A 57 (1998) 452.

[5] F.H.M. Faisal, Theory of Multiphoton Processes, Plenum, New York, (1987).

[6] G. Casati, L. Molinari, Quantum Chaos with Time-Periodic Hamiltonians, Progress of Theoretical Physics Supplement 98 (1989) 287; G. Casati, B.V. Chirikov, D.L. Shepelyansky, I. Guaneri, Relevance of classical chaos in quantum mechanics: The hydrogen atom in a monochromatic field, Physics Reports 154 (1987) 77-123.

 [7] A.G. Fainshtein, N.L. Manakov, V.D. Ovsiannikov, L.P. Rapoport, Nonlinear susceptibilities and light scattering on free atoms, Physics Reports 210(1992) 111-221.

[8] M. Kleber, Exact solutions for time-dependent phenomena in quantum mechanics, Physics Reports 236 (1994) 331-393.

[9] S. Ashhab, J.R. Johansson, A.M. Zagoskin, F. Nori, Two-level systems driven by large-amplitude fields, Physical Review A 75 (2007) 063414.

 

[10] S.N. Shevchenko, S. Ashhab, F. Nori, Landau-Zener-Stückelberg interferometry, Physics Reports 492 (2010) 1-30.

 

[11] H. Ribeiro, J.R. Petta, G. Burkard, Interplay of charge and spin coherence in Landau- Zener- Stückelberg- Majorana interferometry, Physical Review B 87 (2013) 235318.

 

[12] J. Stehlik, Y. Dovzhenko, J.R. Petta, J.R. Johansson, F. Nori, H. Lu, A.C. Gossard, Landau-Zener-Stückelberg interferometry of a single electron charge qubit, Physical Review B 86 (2012) 121303.

 

[13] J. Zhou, P. Huang, Q. Zhang, Z. Wang, T. Tan, X. Xu, F. Shi, X. Rong, S. Ashhab, J. Du, Observation of Time-domain Rabi oscillations in the Landau-Zener regime with a single electronic spin, Physical Review Letters 112 (2014) 010503.

[14] M.O. Scully, M.S. Zubairy, Quantum Optics (Cambridge University Press, Cambridge, England, (1997).

[15] G. Sun, X. Wen, B. Mao, J. Chen, Y. Yu, P. Wu, and S. Han, Tunable quantum beam splitters for coherent manipulation of a solid-state tripartite qubit system, Nature Communications 1, 51 (2010).

[16] D.M. Berns, M.S. Rudner, S.O. Valenzuela, K.K. Berggren, W.D. Oliver, L.S. Levitov, T.P. Orlando, Nature (London) 455 (2008) 51.

[17] G. Sun, X. Wen, Y. Wang, S. Cong, J. Chen, L. Kang, W. Xu, Y. Yu, S. Han, P. Wu, Population inversion induced by Landau-Zener transition in a strongly driven rf-SQUID, Applied Physics Letters 94 (2009) 102502.

[18] J.I. Colless, X.G. Croot, T.M. Stace, A.C. Doherty, S.D. Barrett, H. Lu, A.C. Gossard, D.J. Reilly, Raman phonon emission in a driven double quantum dot, Nature Communications 5 (2014) 3716.

 

[19] S.O. Valenzuela, W.D. Oliver, D.M. Berns, K.K. Berggren, L.S. Levitov, T.P. Orlando, Microwave-induced cooling of a superconducting qubit, Science 314 (2006) 1589.

[20] E.A. Laird, C. Barthel, E.I. Rashba, C.M. Marcus, M.P. Hanson, A.C. Gossard, A new mechanism of electric dipole spin resonance: hyperfine coupling in quantum dots, Semiconductor Science and Technology 24 (2009) 064004.

[21] J. Stehlik, M.D. Schroer, M.Z. Maialle, M. H. Degani, J.R. Petta, Extreme harmonic generation in electrically driven spin resonance, Physical Review Letters 112 (2014) 227601.

[22] E.I. Rashba, Mechanism of half-frequency electric dipole spin resonance in double quantum dots: Effect of nonlinear charge dynamics inside the singlet manifold, Physical Review B 84 (2011) 241305.

[23] G. Széchenyi, A. Pályi, Maximal Rabi frequency of an electrically driven spin in a disordered magnetic field, Physical Review B 89 (2014) 115409.

[24] M.P. Nowak, B. Szafran, F.M. Peeters, Resonant harmonic generation and collective spin rotations in electrically driven quantum dots, Physical Review B 86 (2012) 125428.

[25] J. Stehlik, M.D. Schroer, M.Z. Maialle, M. H. Degani, J.R. Petta, Extreme harmonic generation in electrically driven spin resonance, arXiv: 1312.3875v1.

[26] J. Danon, Mark S. Rudner, Multilevel interference resonances in strongly driven three-level systems, Physical Review Letters 113 (2014) 247002.

[27] H. Sambe, Steady states and quasienergies of a quantum-mechanical system in an oscillating field, Physical Review A 7 (1973) 2203.

 

[28] S. Kohler, J. Lehmann, P. Hänggi, Driven quantum transport on the nanoscale, Physics Reports 406 (2005) 379-443.

[29] V.P. Krainov, Sov. Theory of resonance multiphoton transitions in a three-level system under the influence of a strong electromagnetic field, Journal of Experimental and Theoretical Physics 43 (1976) 622.

[30] K.C. Nowack, F.H.L. Koppens, Y.V. Nazarov, L.M.K. Vandersypen, Coherent control of a single electron spin with electric fields, Science 318 (2007) 1430.

[31] E.A. Laird, C. Barthel, E.I. Rashba, C.M. Marcus, M.P. Hanson, A.C. Gossard, Hyperfine-mediated gate-driven electron spin resonance, Physical Review Letters 99 (2007) 246601.