砷化铟单量子点空穴自旋弛豫机制研究

Fabrication and detection of the single quantum states are one of the key research plans of the National Science Foundation. This project is directly related to the basic and applied researches of the quantum information.In the field of solid state quantum information, single electron spin in a single quantum dot(QD) serving as a quantum bit(qubit) has widely been investigated. But, it is found recently that in the single QDs the electron spin relaxes very fast due to the fact that there is a strong hyperfine interaction between the electron spin and nuclear spins.However, the hole in the semiconductor valence-band has been considered as a good qubit due to the weak-coupling between hole and the nuclei. In view of the importance of the hole spin as a qubit, this proposal will systematically investigate the hole spin relaxation mechanism under different experimental conditions,such as applied magnetic field and different nuclear-spin baths. We will try to find how to suppress the hole spin relaxation.In the experiment,the hole relaxation times will be measured under the conditions of the polarized and random orientations of the nuclei spins, and experimental results will be compared with the theoretical calculations.

单量子态的制备及探测是基金委重大研究计划项目之一，与量子信息的基础和应用研究直接相关。在固态量子信息领域，单个量子点中的单电子自旋作为量子比特得到较为深入地研究。但是，最近研究结果表明，由于电子自旋和晶格中核自旋之间存在强的超精细相互作用，导致电子自旋弛豫时间很短。半导体价带中的空穴由于和晶格核之间存在弱的相互作用，被认为是电子的有效替代者。鉴于单空穴自旋作为量子比特的优越性和重要性，本项目将系统研究不同实验条件下单空穴自旋弛豫过程及抑制其自旋弛豫的物理机制。重点研究在有序和无序核自旋环境下，空穴的自旋弛豫与核自旋有序度的关系。调谐外加磁场及晶格核自旋的有序度，研究对空穴自旋弛豫的抑制作用。实验结果与目前理论计算进行比较。

单量子态的探测及调控是国家的重大研究项目，也是量子信息领域人们研究的热点。半导体单量子点由于三维空间量子受限，被称为“类原子”，成为研究单量子态调控的重要对象。单量子点的共振激发技术是实现单量子点量子相干控制的重要条件，我们通过侧面激发-正面收集技术实现了单量子点在低温下脉冲和连续两种激发条件下的共振激发光致发光。通过8 ps 脉冲宽度的脉冲激光共振激发单量子点X+激子，得到了超过一个半周期的Rabi振荡信号。通过4 MHz线宽的连续激光共振激发单量子点X+激子，观察到了Mollow三峰结构，并且最大Rabi劈裂达到54 微电子伏。单量子点中的单空穴由于和核自旋弱的超精细相互作用，因而被认为可以用来构筑量子比特并进行量子调控。我们利用“泵浦”-“探测”光致发光技术研究了单量子点中空穴和核自旋之间的相互作用，发现其相互作用要比电子和核自旋之间相互作用大概弱两个量级，自旋弛豫时间大约为112 ± 41毫秒，但是，没有弱到基于带间杂化效应预言的可以忽略不计的程度。此外，我们还研究了纳米尺度金岛膜对单量子点荧光增强效应以及纳米线上的单量子点强的光子提取效率，对于研究高亮度单光子源有重要意义。我们还研究了单、少层二硫化钼的压力光谱，发现双层二硫化钼的导带底在K点；单层二硫化钼的价带顶劈裂随压力的增加变化很小，说明自旋-轨道耦合对压力不敏感，而双层和三层二硫化钼的价带顶随压力的增加而明显增加，这是由增强的层间耦合引起的；C激子吸收峰是和沿Γ- K方向距离Γ点大约1/4Γ- K长度处的范霍夫奇点相关。