耦合量子点激子自旋弛豫机制研究

Study on single quantum state measurement and related the physics are very important for the fields of quantum information and quantum coupution.Recent years, as a basic qbuit,it becomes a focusing hot research field for investigating and manipulating electron (hole) spin,nuclear spin and exciton in semiconductor quantum dots(QDs) and coupled quantum dots(CQDs).At present,only few published papers were related to the study on electron (hole) spin relaxation and exciton relaxation in CQDs.Considering the importance and requirement underlying CQD physics and measurement technique, in this proposal we firstly fabricate vertically coupled InAs QD samples with a low density. The exciton can be tunned between the exciton state and indirect exciton state through applied electric field. At low temperature and vertical magnetic field (Faraday configuration), polarization and time-resolve photoluminescence spectra of both exciton and indirect exciton can be measured using Ti-sapphire laser quasi-resonant pumping the CQDs.Then we can obtain the exciotn spin lifetimes under different temperature and magnetic field.Based on the exciotn rate equation and phonon-scattering-mediated Fermi's golden rule,the underlying mechanism of exciton spin relaxation will be analyzed.These studies will help to build qubit in the solid system and effectively manipulate exciton spins for further investigation.

单量子态的检测和相关物理研究是量子通信和量子计算领域的关键科学问题。近年来，以半导体量子点中单电子（空穴）自旋、核自旋及耦合量子点中激子为基本量子比特及操作的研究成为大家关注的重点。而耦合量子点中电子（空穴）自旋弛豫和激子自旋弛豫的研究还较少。鉴于耦合量子点物理研究的重要性及相应测量技术的需求，本项目提出生长制备低密度垂直耦合InAs 量子点样品，通过外加电场调谐激子形成直接激子或间接激子，在低温和外加纵向磁场下，利用飞秒激光脉冲准共振激发量子点，测量直接激子和间接激子自旋相关的瞬态偏振荧光光谱，得到不同温度和磁场强度下耦合量子点中激子的自旋弛豫时间；结合激子占据速率方程及声子辅助费米-黄金跃迁公式，分析研究耦合量子点中激子自旋弛豫机制。这些研究内容及测量技术为今后在固态体系中拓展构筑多量子比特及有效地操作激子自旋提供前期研究基础。

单量子态的检测和相关物理研究，是量子通信和量子计算领域的关键科学问题。近年来，以半导体量子点中单电子（空穴）自旋、核自旋及耦合量子点中激子为基本量子比特及操作的研究成为大家关注的重点。鉴于耦合量子点物理研究的重要性及相应测量技术的需求，我们开展了生长制备低密度垂直耦合的InAs量子点样品和对耦合量子点中激子自旋弛豫机制的研究。.研究了不同尺寸金属圆盘对130nm GaAs盖层InAs单量子点的荧光辐射增强作用。测量了直径为2.1、5、10和20μm金属圆盘下量子点样品的时间积分和时间分辨荧光光谱，研究了荧光强度随激发功率的依赖关系和量子点荧光的单光子特性。实验结果显示，金属圆盘作用下，量子点的荧光强度明显增强。利用CST软件模拟计算显示：金属圆盘具有上分布布拉格反射镜(DBR)的作用，与下DBR构成光子谐振器，是量子点发光寿命减小的主要原因。.采用压力连续调谐双激子级联发光波长，研究了双激子级联发射二阶关联函数的聚束效应与双激子束缚能的关系。实验证实量子点双激子级联发射二阶关联函数的聚束效应与双激子束缚能无关，聚束效应的真正原因是测量时对单双激子波长的不可分辨，而不是双光子发射。.采用双层耦合量子点的分子束外延生长技术生长了InAs/GaAs量子点样品，把量子点的发光波长成功地拓展到1.3μm。在低温5K下，测量得到量子点激子的荧光寿命约为1ns；单量子点荧光二阶关联函数为0.015，显示单量子点荧光具有非常好的单光子特性；利用迈克耳孙干涉装置测量得到单光子的相干时间为22ps，对应的谱线半高全宽度为30μeV，且荧光谱线的线型为非均匀展宽的高斯线型。.我们还对量子点、量子阱、石墨烯、黑磷烯中的极化子和量子比特的性质进行了理论研究。.项目进行期间，共发表学术论文27篇，其中被SCI收录20篇。这些研究内容及测量技术为今后固态体系中拓展构筑多量子比特及有效操作激子自旋提供了研究基础。