光学诱导核磁共振条件下二维电子气体系核自旋弛豫性质的研究

The research of nuclear spins in semiconductors has attracted great interest because of their potential applications in solid-state quantum computation and quantum information science. Nuclear magnetic resonance(NMR) is an important means of nuclear spin study, however, the sensitivity of conventional NMR is usually insufficient to detect nuclear polarization in semiconductor low dimensional structures. Optically induced nuclear magnetic resonance(OINMR) has the advantages of high sensitivity and good controllability, which use a frequency modulated circularly polarized light to pump the sample, the constant part of the light creates dynamic polarization of nuclear by hyperfine effect and resonant heating of the dynamically polarized nuclear is caused by the oscillating part of the electron spin polarization field, whose transverse component plays the role of radio-frequency field, under the proper magnetic field, OINMR happens. This technique can be easily applied to the research of nuclear spins in semiconductors low dimensional structures. By designing proper measurement sequences, nuclear spin relaxation in semiconductor two-dimensional electron gas system will be studied under OINMR conditions, and the influence of temperature, light intensity, and electron density on nuclear spin relaxation process will also be investigated.

近年来关于半导体中核自旋性质的研究以其在固态量子计算与量子信息科学方面的潜在应用价值而得到了人们的广泛关注。作为研究核自旋性质重要手段的传统核磁共振技术，由于灵敏度不足而无法应用在半导体低维结构中。光学诱导的核磁共振具有灵敏度高、可操控性好等优点，这一方法利用被频率调制的圆偏振光激发样品，使电子自旋极化并通过超精细作用产生动态核自旋极化，同时通过被调制的电子极化场对动态极化原子核共振加热（起到传统核磁共振中射频场的作用），在合适的外磁场下就可以诱发核磁共振，并可以轻易的应用到半导体低维结构核自旋性质的研究中去。我们将通过设计合适的测量序列，研究光学诱导核磁共振条件下半导体二维电子气体系中核自旋的弛豫性质，以及温度、光强和电子浓度对核自旋弛豫过程的影响。

自旋电子学是近几十年以来凝聚态物理学的研究热点之一，电子自旋在量子计算、量子信息处理等领域得到了广泛的应用，与此同时，原子核自旋的研究也吸引了越来越多的注意，因为原子核的自旋弛豫时间比电子长的多，所以可以利用核自旋来作为量子信息存储器的基本单元。将核自旋应用到量子信息处理和量子计算领域的重要前提之一是对其自旋性质的深入了解。. 本项目利用光学诱导的核磁共振开展GaAs/AlGaAs二维电子气体系中核自旋性质的实验研究工作。我们采用光学泵浦/探测方法，定量地研究了高迁移率二维电子气体系中的瞬态原子核自旋性质，特别是在全光学动态核磁共振条件下，研究各种类型原子核自旋态的极化、退相干过程。系统地研究了GaAs/AlGaAs异质结二维电子气中电子自旋和原子核自旋之间的相互作用，利用全光学方法观测到了核磁共振，特别是发现了多重核磁共振现象：当特定原子核在外磁场中的拉莫尔进动频率是泵浦光斩波频率的奇数倍的时候，克尔信号表现出锐利的峰，它的峰位反映了原子核磁矩的信息，半高宽反映了原子核的某种退相位时间。在此基础之上，我们还研究了该体系中原子核所产生的磁场的大小，并且可以利用泵浦光强度和偏振的变化来控制该磁场的大小。这种测量原子核磁场的方法还可以推广到其他系统中，为研究原子核-自旋系统的磁性质提供有力的手段。我们利用时间分辨克尔旋转技术研究了(110)- GaAs衬底上分子束外延生长的 GaAs/AlGaAs 多量子阱中的自旋退相干过程，发现量子阱平面内的自旋退相干时间是各向同性的，而电子的g因子具有显著的二重对称性，原因在于自旋轨道耦合导致了导带的自旋劈裂。我们还在铷原子气体中以及半导体GaAs中实现自旋噪声谱的实验测量。定量地研究了在共振和非共振条件下以及均匀和非均匀体系中自旋噪声谱的性质，并且从谱线得到体系在平衡态附近的自旋弛豫时间等重要信息。