半导体纳米材料相干光学特性的实验研究

能够对两能级量子系统产生的单光子进行处理和控制，来实现长距离传输二进制编码的保密数据是实现未来量子信息处理和通讯的必要条件。与自然原子相比，以外延生长量子点、胶体量子点和单壁碳纳米管为代表的半导体纳米材料具有较大的光学跃迁偶极矩，而且其形状、尺寸、密度、位置和组成等参数在生长过程中都能够得到有效的控制，从而达到灵活地调节其电光特性等目的。本项目计划对上述这三种半导体纳米材料在单分子精度进行量子相干特性的测量和单光子器件的研制。在外延生长量子点方面，将结合微腔量子电动力学来观察到更多新奇的量子相干特性；在胶体量子点方面，争取首次实现量子干涉和Rabi振荡这些基本量子相干特性的测量；在单壁碳纳米管方面，通过单光子发射的测量，来解决其在室温条件下是否为两能级量子发光体这个问题。项目完成时，力争发表若干具有重要国际影响的学术论文，建立具有国际先进水平的半导体纳米材料光学特性研究团队。

本项目的主要研究方向是半导体纳米材料的单光子发射和相干光学特性，所研究的材料体系包括自组织量子点、胶体量子点、石墨烯量子点和碳纳米管等。项目进行的2011年主要完成了针对单光子发射和相干光学特性测量所需重要光学仪器设备的搭建工作，包括共聚焦扫描光学显微镜、侧面激发低温光学显微镜、无液氦低温共聚焦光学显微镜、时间相关单光子计数系统和双脉冲麦克尔逊干涉仪等。项目进行的2012年开始在半导体纳米材料的单分子光谱和超快光谱测量方面进行了一系列的研究工作，并在氧化石墨烯的非直接带隙荧光发射和利用能量转移方法研究胶体量子点的载流子倍增效应方面取得了重要的实验成果。2013年开始集中研究石墨烯量子点这种新型半导体纳米材料体系，首次实现对其单粒子精度的光学特性测量，提出其基于量子态和缺陷态的两种不同荧光发射机制。2013年，我们还研究了在平面微腔内自组织InGaAs量子点的光学特性，观察到和下转换荧光效率相同的上转换荧光，并通过理论计算将其归结为量子点间的相干作用以及微腔对自发辐射速率进行调制所产生的综合效应。项目进行至今发表项目标注文章4篇，并在国外国际会议上做邀请报告5次。由于本项目已经得到延续资助，下面将从论文发表情况、科研成果介绍和后两年工作设想三方面进行总结。