马约拉纳费米子遵循非阿贝尔统计，在拓扑量子计算和量子信息处理方面具有潜在的应用前景。过去十多年中，各种可能存在马约拉纳零模的复合低维凝聚态系统相继被提出，并通过各种电学手段探测到了类似马约拉纳费米子的信号，如半导体纳米线/超导体系统、铁原子链/超导结构、铁基超导复合系统，以及拓扑绝缘体/超导体异质结等，并且拓扑绝缘体可能存在马约拉纳费米子的提议备受关注。最近几年也在实验上观测到了类似马约拉纳费米子的信号。然而对于马约拉纳费米子在低维凝聚态系统中存在的确凿证据以及马约拉纳费米子实现的拓扑量子计算还有待研究。本文综述了在各种复合低维凝聚态系统中找寻马约拉纳费米子的方案，并对实验探寻马约拉纳费米子的电学方法进行了详细的阐述。当前马约拉纳费米子的理论研究和实验探测方案主要集中在电学测量方面，为了得到更确凿的马约拉纳费米子的证据，有必要提出可供选择的探测马约拉纳费米子的方法或模型。考虑目前在微纳尺度上的技术进展，结合复合微纳系统，通过引入光学泵浦-探测技术，提出一系列全光学探测马约拉纳费米子的方法。然后，对光学探测马约拉纳费米子，以及马约拉纳费米子诱导的相干光学传输进行了综述。最后，展望了在固态量子器件中马约拉纳费米子在拓扑量子计算上的应用前景。

层状二维过渡金属硫属化合物是一类重要的二维层状半导体材料。其中MoTe2因其具有较小的禁带宽度和较高的载流子迁移率而备受关注。应用光泵浦-宽谱太赫兹时域光谱系统研究了少层MoTe2薄膜材料的宽谱太赫兹透射谱、光生载流子在皮秒尺度上的动力学过程及其光电导率的变化。应用空气等离子体产生宽谱太赫兹辐射并利用磷化镓晶体探测的方法测量了谱宽在0.2~7.2 THz范围内少层MoTe2薄膜的透过谱, 发现其在3.6、4.6、6.4以及7 THz处存在吸收峰。应用800 nm脉冲光激发少层MoTe2薄膜, 并测量其在皮秒时间尺度上的太赫兹光谱, 得到少层MoTe2薄膜中光生载流子寿命约为1.6 ps。在此基础上进一步研究了不同泵浦-探测时间差下光电导率变化量的实部和虚部。发现随着延迟时间的增加, 电导率变化量实部由约600 Ω-1cm-1到300 Ω-1cm-1逐渐降低, 虚部值约为200 Ω-1cm-1并不随泵浦-探测时间差而明显改变, 这一结果表明少层MoTe2薄膜具有较高的电导率及较长的激子寿命。给出了少层MoTe2薄膜在0.2~7.2 THz波段的吸收谱、光生载流子演化过程及寿命以及少层MoTe2材料光电导率变化量等物理参数, 对设计基于少层MoTe2材料的新型光电器件提供了参考。

提出了一种光泵浦太赫兹探测技术的改进方案, 使用双色飞秒激光场电离空气诱导等离子体辐射的超短宽带太赫兹脉冲作为探测脉冲, 表征了硅的光激发动力学, 通过表征过程验证了基于所提改进方案的光泵浦太赫兹探测系统的性能。硅的泵浦深度随泵浦功率的增加而提高, 400nm泵浦光的泵浦深度大于800nm泵浦光。使用400nm泵浦光, p掺杂硅的泵浦深度最大, 本征硅次之, n掺杂硅最小; 而使用800nm泵浦光, p掺杂硅的泵浦深度最大, n掺杂硅次之, 本征硅最小。此外, 基于探测脉冲的超宽带宽和超短脉宽, 还观测到了p掺杂硅中的亚皮秒激发态声子波包振荡。

采用固相反应法制备了高品质0.3BaSrTiO3-0.7NdAlO3微波介质陶瓷,并采用太赫兹时域光谱对该陶瓷在太赫兹波段内的吸收特性进行研究。结果显示,在18 ℃(291 K)下该陶瓷的吸收系数可由外部光泵进行调制,在0.55 THz时调制度可达到34.46%。通过拟合0.45 THz和0.55 THz处0.3BaSrTiO3-0.7NdAlO3陶瓷的介电常数与光功率之间的关系,可以得到这两个频率处的非简谐系数α分别为1.273×10 -8和1.823×10 -8。此外,吸收系数随外部光泵强度调制的微观机理是由激发的自由载流子引起0.3BaSrTiO3-0.7NdAlO3陶瓷的内部空间电荷场所致。

利用脉冲触发信号在半导体中产生非平衡态载流子的方式，提出一种使用太赫兹连续源和超快速响应探头测量半导体少数载流子寿命的方法，用于表征半导体的瞬态载流子动力学过程。根据上述设计原理及思路，以泵浦光作为周期性激励信号，搭建出一套工作时间窗口为纳秒到秒量级，时间精度在纳秒量级的非接触式半导体少数载流子寿命测量系统，具有装置简单、操作方便、成本低廉等优点。使用搭建的系统对不同掺杂类型、不同掺杂浓度、不同厚度单晶硅的非平衡态少数载流子寿命进行测量。最后，通过改变泵浦光单脉冲能量，对单晶硅光生载流子寿命进行测量，结果表明单晶硅少数载流子寿命随着泵光能量的增大而变长。该系统所实现的宽工作窗口、高时间精度太赫兹快速过程的探测，可应用于太赫兹领域的快速成像和快速生物响应探测。

基于自旋反转模型, 数值研究了光抽运下1300 nm自旋垂直腔面发射激光器(Spin-VCSEL)输出激光的圆偏振转换(PS)及偏振双稳(PB)特性。研究结果表明: 对于一定的抽运光偏振椭圆率PP, 抽运光功率能在一定程度上控制激光器输出光的偏振椭圆率Pout, 其绝对值随抽运光功率的增加而逐渐增大; 对于一定的归一化抽运光功率η, 采用正向扫描(逐渐增加)和反向扫描(逐渐减小)PP时, Spin-VCSEL输出的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光之间会发生PS, 并可观察到PB现象。对于较小的η, 双稳环宽度随η的增加先增加到一个最大值然后减小到0; 对于较大的η, 双稳环宽度随η的增加总体上呈现出逐渐减小的趋势。激光器的线宽增强因子α和有源区介质的双折射系数γp等内部参数对由PP变化引起的PS和PB均有较大的影响。此外, 确定了双稳环宽度在某些激光器关键内部参数和η构成的参数空间中的分布图。

研究了半导体纳米线/超导体复合结构中的马约拉纳费米子的存在情况, 提出一种用相干光学谱探测马约拉纳费米子的全光学方法.将一束较强的泵浦激光和一束较弱的探测激光同时作用于半导体量子点, 由系统的哈密顿量导出半导体量子点的相干光学谱.数值模拟结果表明, 相干光学谱中呈现出由半导体量子点与马约拉纳费米子耦合诱导的明确的马约拉纳费米子迹象.半导体量子点与马约拉纳费米子之间的无接触性, 避免了探测中杂质信号的引入.半导体量子点与马约拉纳费米子间的耦合强度和探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度呈正比, 可通过测量分裂宽度获得耦合强度, 为耦合强度的确定提供了直观的测量方法.

利用ANSYS有限元热分析软件对光抽运垂直外腔面发射激光器(OPS-VECSEL)内部的热场分布和热矢量分布进行了模拟，对比分析了两种散热结构的散热性能，讨论了抽运光斑的参量和金刚石散热片厚度对器件热特性的影响。模拟分析表明：在抽运功率密度较大时，与单面键合金刚石散热片结构相比，双金刚石散热片结构的OPS-VECSEL温升较低，引起的谐振波长差较小，热量向芯片上下两侧散失有利于器件的散热，并且随着抽运功率密度的增大，双散热片结构的散热优势就越明显；当上部金刚石散热片的厚度为500 μm、下部金刚石散热片的厚度在300～500 μm时可以实现很好的散热效果。

太赫兹光谱测量技术由于其非接触性、相干性和瞬时性成为研究半导体纳米材料的有利工具。近年来,太赫兹光谱技术在研究半导体纳米晶、量子点等微型结构的光电性能和光电转换特性方面取得了一系列成果。就太赫兹光谱技术在纳米半导体材料中的应用和最新进展进行了较详细的分析和归纳总结。