单量子点中的单自旋注入、调控和探测及其在量子信息处理中的应用

随着信息进入量子化的时代, 固态量子比特及其扩展吸引了很多科研机构的极大的关注. 单个电子和空穴的自旋作为量子比特的载体, 其自旋寿命和相干时间都比原来电荷量子比特要长很多。因此自旋量子比特越来越体现出优越性, 同时也符合目前用电子自旋来代替电子电荷器件的趋势。通常半导体量子点中的自旋注入和探测都是利用光学的方法, 而比较理想的是通过电学方法进行注入和探测。本课题利用分子束外延的方法在肖特基结中生长一层量子点和一层二维电子 (空穴)气的耦合器件, 二者能级在磁场作用下由于Zeeman效应发生自旋劈裂。当二维电子气的能级和量子点单自旋能级匹配, 就会发生隧穿，反之则无，从而达到自旋的注入和探测的目的.另外利用相干控制和克尔旋转的方法研究自旋量子比特的寿命和退相干时间, 分析退相干的理论机制, 并通过微波技术调控自旋比特. 目标实现自旋可控的全电学的自旋量子器件.

半导体低维体系由于其在固态量子信息科学领域的重要应用而受到了广泛的研究。基于半导体自组织量子点的光电器件是研究激子、自旋量子比特的有效途径之一。本项目利用荧光光谱技术，对半导体低维体系在光、电、磁场调控作用下电荷的注入及自旋取向，电子与空穴的弛豫、隧穿、复合及激子波函数的行为等做了深入的研究。通过微纳加工技术制备了利用分子束外延的方法生长的具有半导体InGaAs量子点层和二维电子气层、可以实现单个量子点激发的肖特基结器件，并对器件进行电学测量，通过AFM、TEM对量子点的形貌信息进行表征；搭建了高分辨的低温微区共聚焦显微荧光测量及共振激发光电流测量系统，并研究了InGaAs量子阱中激子相干输运行为；研究了在电场和磁场调控下量子点的荧光光谱，通过电压调制作用，电子空穴库伦相互作用，功率依靠关系等对不同带电激子态的能级进行标定；研究了磁场对载流子被量子点捕获的几率，发现磁场可以调控量子点中的电荷态分布；研究了磁场对量子点中粒子波函数的压缩作用，发现磁场可以调控电子、空穴波函数质心在量子点的生长方向上的相对位置，实现电偶极矩翻转；研究了高激发功率下量子点的磁光光谱，观测到‘正’（‘负’）的反常大抗磁效应，意味着量子点内空穴和二维浸润层（量子点）内电子的复合，标志着零维与二维结构耦合下多体激子态的形成。电场和磁场对量子点中量子态的调控，对量子点激子、自旋的量子比特的初始化，相干操控及读出，对实现固态量子信息处理具有重要的意义。项目执行期间，在Nano Letters, Nano Research, Scientific Reports, Optics Express, Applied Physics Letters等杂志发表了12篇论文。