使用光子晶体操控半导体量子点自发辐射的研究

To control the spontaneous emission of single quantum dots with photonic crystals by investigating light-matter interactions under nanoenvironment, and the goal is to generate deterministic single-photon souce and entangled-photon pairs. On one hand, we will make use of single self-assembled InAs quantum dots as internal probes to probe the electromagnetic field inside photonic crystals, and further compare the measurement results with related theory. On the other hand, to control the spontaneous emission of single quantum dots by employing the unique characteristic of "band-gap" effects of photonic crystals. Moreover, by investigating the dephasing and decoherence processes of excitons, to get deep understanding of the dynamics of their spontaneous emission processes; and meantime, give out reasonable theoretical model to explain the experimental phenomena. Finally, to manipulate the decay of excitons, biexcitons in single quantum dots and realize generating determisnistic highly intensity single-photon and entangled photon sources by properly designing photonic crystal structures.

本项目主要是通过对纳米材料光子晶体与自组织生长量子点之间相互作用的研究，来实现对单量子点自发辐射过程的精确操控，从而达到制备确定性单光子源与双光子纠缠对的目的。一方面，我们将使用InAs自组织单量子点作为内部探针来探索光子晶体内部的场分布情况，并与理论预测相比较；另一方面反过来利用光子晶体独特的"带隙"结构来调控量子点的自发辐射的快慢，同时通过对纳米环境下量子点激子自发辐射过程中伴随的失相位、相消干等现象的研究，深入理解激子的自发辐射机制，提出合理的理论模型对实验现象进行解释；此外，通过设计合理的光子晶体结构来控制量子点的自发辐射，从而制备出确定性高亮度单光子、双光子纠缠光源。

本项目主要研究了基于GaAs/InAs的单量子点的自发辐射性质随外界环境变化的内在物理机制；分析了在量子点-微腔耦合系统中，纯消相干作用对量子点耦合系统的激射性质所产生的影响；探索了量子光源在量子通信中的应用。.1、搭建了一套低温恒温器实验装置，此装置可用于对半导体样品进行低温激发，并对自发辐射荧光进行收集、探测等方面的研究。为后面进一步展开量子点相关的研究和应用打下了基础。.2、实验上通过对半导体样品进行非共振激发，系统地测量了单量子点（GaAs/InAs）荧光光谱和自发辐射寿命随环境温度的变化，分析研究了单量子点自发辐射的性质，并且通过对中性激子应用三能级模型，探讨了中性激子明态和暗态之间进行自旋翻转的内在物理机制。对于今后人们研究量子点激子的自旋翻转大小给出了一种简单的研究方法。.3、研究了量子点-微腔耦合系统中，纯消相干作用对量子点耦合系统的激射性质所产生的影响。我们发现，在非共振情况下，适当的纯消相干作用会对量子点耦合系统产生正向促进作用。该成果对制备高性能的纳米激光器方面的研究具有积极的引导作用。.4、在量子光源的应用方面，我们完成了一个基于BB84协议的被动式诱骗态量子密钥分配实验，该实验首次使用量子光源实现超过200公里的量子密钥分配，此前世界上尚未有类似报道。具体实验结果表明，在相同的传输距离下，与以往的基于量子光源的量子密钥分配实验相比，成码率提高了两个量级。