量子点操控的单光子探测和圆偏振单光子发射

Studies on quantum dots (QDs) provide great opportunities in single photon detection as well as single circular polarized photon emission, which are the key technology for future quantum information processing. For single photon detection, the quantum-dot-resonant-tunneling-diode (QD-RTD) is evaluated as one of the most promising scheme but still suffering from the ultralow working temperature(~5K) and lack the capability to discriminate photon numbers. The progress of ongoing project (91121009) and (91021015) suggests that the barrier quantum dots (QDs)s can be overcome by novel design and careful control on electronic states in QD and QWs. Also project No. 91121021 disclosed a new way to emit circular polarized photons by modulating the spin of electrons in QDs. At the same time, project 91021015 depicts a way to grow high quality two dimensional photon crystal structures. Then a novel routine to get circular polarized photon emission can be realized by combining the strong coupling of cavity-exciton and the spin polarization on exciton in QD. In consequence, it is suggested to integrate the complementary advantages of the three ongoing projects. Through close cooperation among e-photon quantum state construction and manipulation, observation on photo-electric mechanism, as well as prototype with prototype device, it’s likely to, on the one hand, find the way to detect single photon with QD-RTD on liquid nitrogen temperature and be able to discriminate photon numbers, on the other hand to get high frequency circular polarized photon from a QD emitter.

量子点光电单量子态研究形成了单光子探测和光子发射两个方向上的技术机遇。其中基于量子点的共振放大结构（QD-RTD）被认为在单光子探测方面综合性能最佳，但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约。单量子态项目（91121009）和（91021015）分别在能态构造和光电效应调控方面显现出突破它们的机遇。另一方面，项目（91121021）揭示了一种通过磁场调控电子态获得圆偏振光子源的新途径；而项目（91021015）也展示了更高品质光子晶体微腔的实现方法，二者结合可能形成一种强耦合圆偏振单光子源的新途径。为此，建议集成上述关联性强的项目基础，通过光子-电子微观量子态的构造和精细调控、量子效应的观测、原型器件的验证等环节的密切结合，一方面，实现QD-RTD光子数分辨和较高温度单光子探测；同时利用腔模-激子态-外场耦合效应，获得圆偏振态可控的高频单光子发射。

光子、电子是研究自由空间和固体环境中量子单态的主要媒介，也是未来量子技术的候选载体。项目针对半导体量子点光电量子态研究形成的单光子探测和光子发射两个方向上的技术机遇，通过以量子点为核心的光电低维结构的构造、量子态的精细调控、光电量子效应的观测、量子原型器件的效能验证等环节的密切结合，实现了新颖机制主导下的光子探测能力提升和光子自旋可控发射。主要进展包括：.1）在量子点光子探测新机制探索方面，量子点共振隧穿被认为是综合性能最优的光子探测方案，但一直受制于极低的工作温度和不能进行光子数识别，不能适应多数应用尤其是空天技术应用的要求。项目提出量子点耦合共振隧穿机制（QD-cRTD），通过量子点和量子阱电子能态的耦合设计，制备了量子放大光子探测原型器件，将光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件（77K）。在此基础上，通过对QD-cRTD隧穿状态的调制，实现了双光子识别能力；并引入量子点能级吸收机制，从而将光子水平探测能力拓展到1.1微米的近红外波段。.2）在量子点-微腔光子发射的新方案和效果验证方面，项目提出通过量子点中激子态的自旋内秉特征的调制实现光子的自旋选择性发射。在外延可控制备量子点-微腔结构的基础上，优化微加工工艺获得高品质的量子点-微柱微腔样品，通过磁场调控激子与腔模的耦合，在Purcell 效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率，从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度，经验证圆偏度达到90%至95％，从而形成一种光子自旋可控发射的新途径，成为光量子态的本征编码方案。. 项目研究获得的部分学术成果已经或即将发表在Phy.Rev.Lett., Nature Comm., Nano.Lett.等高水平刊物上。有关光电功能量子材料、工艺和器件等方面的原创性方案获得8项国家发明专利授权。