基于半导体微腔-量子点系统的高频圆偏单光子源的生长与制备

The coupled single quantum dot (QD)-microcavity system, served as the solidimplementation of cavity quantum electrodynamics (CQED), has recently attracted much interests and research effort due to its potential applications in future optoelectronic devices and quantum information processing. In contrast to the traditional sample growth by MBE system, which has low sample productivities, we use MOCVD system to grow the cavity QD samples. After the sample growth, we used FIB technique to etch the sample into by means of external magnetic field.we observed the interaction of Zeeman splitted exciton spin states with the cavity mode and realized the selective enhancement of the SE rate of the exciton state with specific spin configuration by means of magnetic manipulation of Purcell effect. In this sense, single QD emission with higher circular polarization degree under non-polarized excitation was realized.Our results have high potential to open up a way to novel quantum light sources and quantum information processing applications based on CQED effects.

基于全固态系统的腔量子电动力学，尤其是单个小量子体系与光学微腔的耦合系统，在未来的许多新型量子光源以及量子信息处理中具有极大的应用价值，因而在过去的十年中受到了广泛的研究。然而在国内，对该领域的实验研究仍鲜见报道。特别是如何提高样品的品质和产率是目前面临的关键问题。申请人利用MOCVD 外延生长方法结合FIB 微纳加工工艺制备出了质量较高的包含单个InGaAs/GaAs 量子点的微柱形F-P 微腔结构。通过外加磁场可以同时对自旋以及耦合强度进行有效调控。利用塞曼效应，以及抗磁效应，我们观察到了激子在磁场下分裂的两支自旋态与腔模的耦合，又由于Purcell 效应的作用，使其中一支激子自旋态的自发辐射得到了有选择性的增强，实现在非偏振激发的条件下单量子点荧光的偏振选择。能为将来基于腔量子电动力学效应的具有偏振特性的量子光源以及量子信息处理的应用开辟新的前景。

依据项目任务书的要求，围绕“半导体微腔-量子点系统的高频圆偏单光子源的生长与制备”，实现了基于MOCVD 技术大规模生长高质量微腔-量子点单光子发射源的任务。利用项目负责人在上海高等研究院建设、发展的多维光谱手段，致力于研究单个小量子体系与低维半导体光学微腔耦合系统中的光与物质相互作用，及其在未来光电领域的潜在应用。项目执行期间，共发表相关SCI 学术论文10篇，其中致谢基金委资助论文3篇，包括2 篇Applied Physics Letters和1 篇Applied Physics Express。.1、重点聚焦InGaAs量子点结构尺度、形貌、组分、定位等可控性及物理实现方法。通过进不断的优化自组织量子点生长工艺, 自主生长出了更高品质的InGaAs量子点样品，密度低至1个每平方微米，在低温度下展现了十分优异的发光特性。制备了高质量量子点-微柱微腔单光子发射器件，通过改变磁场调控了激子与腔模的耦合，在Purcell 效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率，调控了左旋或右旋圆偏振光的发射强度，圆偏度达到95%以上。联合上海技物所在空间制冷技术领域50多年积累的经验及领先优势，团队自主设计完成了小型化的30K温区单光子发射源原型机。.2、利用金属纳米颗粒的表面等离激元与石墨烯量子点的强相互作用。通过控制银纳米颗粒与石墨烯量子点的距离，我们实现了室温下石墨烯量子点的超快自发辐射现象，其自发辐射寿命低于27 ps，对应的辐射速率超过35GHz，得到的Purcell因子约为12。这一现象在单光子源、石墨烯传感器、发光二极管等方面具有重要的潜在应用价值。相关研究结果发表在了APL 109, 021905 (2016)和APEX 10, 032102 (2017)上。.3、成功的将有机钙钛矿半导体植入由SiN和SiO组成的DBR结构光学介质微腔中。利用具有时间分辨的角分辨荧光光谱技术分析了有机钙钛矿半导体-光学介质腔耦合系统中的Purcell效应。基于时间分辨荧光的动力学分析揭示了有机钙钛矿半导体的自发辐射率光学腔的调制显著增强共振，显示了这种方法调制Perovskite-QD材料发光寿命的可行性，对进一步探索Perovskite-QD单光子源奠定了实验基础。相关研究结果发表在了APL 108, 022103 (2016)上。