半导体量子点中的电子自旋退相干及其抑制的理论研究

With the rapid development of nanotechnology, the decoherence issue of the electron spin in semiconductor quantum dots as a critical obstacle to the development of three interdisplinary sciences (quantum computation, spintronics, and quantum metrology) has become the focusing point of researchers all over the world. In recent years, several approaches for the quantitative calculation of the electron spin decoherence have been developed, but different approaches typically yield different results with restricted range of applicability. The suppression of electron spin decoherence also remains in its infancy: both approaches developed so far (dynamical decoupling and dynamic nuclear polarization) face important problems. In particular, a clear, quantitative understanding about the underlying mechanism of dynamic nuclear polarization induced suppression of the electron spin decoherence remains absent.. In this project, we are going to analyze and compare the different approaches for calculating the electron spin decoherence and establish a new approach that gives accurate results under various conditions. Then, we are going to (1) investigate the mechanism of dynamic nuclear polarization induced suppression of the electron spin decoherence and develop a complete, quantitatve theory to explain existing puzzling experimental observations and design concrete protocols of suppressing the electron spin decoherenc to guide future experimental works. (2) Fixing the problem of dynamical decoupling and, by combining dynamical decoupling with dynamic nuclear polarization, search for an optimal strategy for suppressing the electron spin decoherence in quantum dots.

随着纳米技术的高度发展，半导体量子点中的电子自旋退相干作为阻碍量子计算、自旋电子学、量子测量学这三大交叉学科发展的重要问题，已经成为全世界科学工作者关注的焦点。近年来人们发展了多种定量计算方法，但不同方法所得结果有差别，且适用范围狭窄。抑制电子自旋退相干的研究更是处于初步阶段，尽管发展起来两种方案（动力学退耦和动态核自旋极化），但两者均面临不小的问题，特别是对动态核自旋极化抑制电子自旋退相干的物理机制认识不足。本项目将分析比较当前各种计算退相干的方法，建立起能在各种条件下准确计算量子点中电子自旋退相干的新方法。在此基础上，我们将：（1）研究核自旋动态极化抑制电子自旋退相干的物理机制，建立完整的定量理论以解释相关疑难实验现象，设计具体的退相干抑制方案以指导实验；（2）完善动力学退耦合方案并将它与核自旋动态极化结合，探索最优化的方案以抑制量子点中的电子自旋退相干。

在该项目执行期间，我们对电子自旋退相干的理论描述、退相干的抑制和相关问题进行了系统的研究，解释了一系列实验现象，并预言了新的现象。总计发表由本项目资助且有标注的SCI期刊论文16篇，其中包括Phys. Rev. Lett. 1篇，Reports on Progress in Physics 1篇，Phys. Rev. B 5篇，Phys. Rev. A 4篇，New J. Phys. 2篇，Scientific Reports 1篇。.一，我们深入研究了国际上主流的描述电子自旋在原子核自旋库中的退相干的量子多体理论，提出了统一的自旋退相干理论框架和物理图像，并以此为依托，系统地比较了这些自旋退相干理论的区别、联系、存在的问题及可能的解决方案和推广，受到同行好评。我们还将理论应用于典型的量子信息物理体系--金刚石中的氮-空位色心，为一些疑难实验现象提供了解释。.二，我们建立了描述动态核自旋极化的微观理论，解释了实验上观察到的磁场引发的核自旋极化反转现象，并提出新的极化核自旋的方案。.三，实现最优化抑制自旋退相干，需要获取引发退相干的环境噪声的信息，然后据此设计退相干抑制方案，即基于自旋的量子精密测量。为此，我们在量子精密测量和相关领域开展了系统的调研和研究，提出了新的描述测量精度的公式，并被国际国内同行广泛应用。