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为探究外部电场对哑铃形量子点（DQD）电子和光学性质的影响，研究人员运用有限元法开展研究。结果发现电场可改变电子分布、打破能级简并等。该研究为量子信息处理等领域提供设计思路，意义重大。
在科技飞速发展的今天，半导体量子点（QDs）凭借独特的量子限制效应，展现出卓越的电子和光学特性，在量子计算、光电子学、医学成像及光伏等众多领域大显身手。其性质可通过调整尺寸、形状和材料成分来精准调控，为科研人员带来了无限可能。如今，各种形状的量子点不断涌现，其中哑铃形量子点（DQD）尤为引人注目。它不仅具备单个量子点的量子限制效果，还因耦合体系拥有增强的相干性和隧穿特性，在量子计算等前沿领域极具应用潜力。
然而，目前对于强耦合量子点如 DQD 的理论研究仍存在诸多挑战。尽管合成和研究耦合量子点的工作不断推进，但深入理解外部刺激如何调制其量子态，进而为实际应用量身定制相关性质，依旧是纳米技术研究中的关键难题。为攻克这一难题，来自量子材料与纳米光子学实验室（A.B. Nalbandyan Institute of Chemical Physics）、俄罗斯 - 亚美尼亚大学（Russian - Armenian University）、帕特雷大学（University of Patras）等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Heliyon》杂志上。
在本次研究中，研究人员主要运用了有限元法（FEM）来求解薛定谔方程，以此计算 DQD 中的电子能谱和波函数。在有效质量近似的框架下，他们考虑了外部电场对系统哈密顿量的影响，针对不同耦合强度的 DQD 进行分析。
电子态在 DQD 中的表现
研究人员构建了由两个球形区域和连接它们的圆柱形部分组成的 DQD 模型，通过有限元法求解薛定谔方程，得到电子能谱和波函数。结果显示，随着外部电场增强，电子能量降低，这主要归因于斯塔克位移和限制势的改变。在无电场时，电子概率分布对称；电场增强后，电子概率密度向 DQD 顶部球体移动，且在高度较小的 DQD 中这种变化更显著。同时，研究发现无电场时，DQD 中部分电子态存在准简并现象，施加电场后，简并被消除。此外，通过分析电子在 DQD 上下区域的概率差异，发现电场增强时，电子向顶部区域移动，且球体半径越大，概率差异达到饱和越快。
相干电荷振荡的研究
研究人员在弱耦合 regime 下分析了 DQD 中的相干电荷振荡。他们将 DQD 视为两个空间上分离但隧穿耦合的球形量子点系统，运用近似方法得到系统哈密顿量。通过求解含时薛定谔方程，得到电子在不同量子态间跃迁的概率表达式。计算结果表明，随着两量子点能级差 E2(0)?E1(0) 增大，振荡幅度减小、频率略增；随着隧穿耦合强度 t12 变化，幅度和频率也相应改变 。
DQD 中的带内吸收研究
研究人员运用紧凑密度矩阵形式和迭代技术，推导了 DQD 在线性和非线性光学吸收系数的解析表达式。研究发现，外部电场显著改变了偶极矩矩阵元，进而影响量子跃迁的选择规则，使原本禁戒的跃迁变为允许，同时部分跃迁强度减弱。此外，电场导致吸收峰位置和强度发生变化，随着电场增强，部分吸收峰能量差异趋于等距，最终重叠，在特定能量处产生强光学吸收。
综上所述，该研究揭示了外部电场对 DQD 电子和光学性质的深刻影响。电场诱导电子迁移，打破电子态准简并，改变波函数分布，进而调整偶极矩矩阵元和选择规则，重塑光学响应。吸收光谱在电场作用下发生显著变化，为利用外部刺激精确控制量子态和光学跃迁提供了理论依据。这一成果为量子信息处理、发光器件和高灵敏度光学传感器等领域的发展开辟了新路径，有望推动相关技术取得重大突破，在未来的科技发展中发挥重要作用。
