ZnO量子点自旋动力学及超快相干调控

半导体量子点的电子自旋有望用于量子信息处理的固态实现。量子信息处理需要自旋的退相干时间远远大于自旋量子比特的操作时间。这意味着：一方面需要获得尽可能长的退相干时间；另一方面在有限的退相干时间内，实现尽可能短的自旋量子比特的操作时间- - 即实现电子自旋相干态的超快旋转，以期获得尽可能多的量子操作数。.我们的工作将立足于以ZnO量子点为主的宽带隙半导体体系，一方面研究其自旋退相干动力学，测量其退相干时间，分析其中涉及的物理过程以及受外部环境如温度、磁场、激光场偏振状态以及强度等的依赖关系；另一方面利用脉冲整形技术，开拓研究飞秒激光的频域、相位、强度及偏振等多参数的高精度光场操控手段，研究飞秒脉冲与自旋量子体系的相互作用，从而实现量子点电子自旋的超快相干旋转控制，并弄清相关的物理机制。

半导体量子点的电子自旋有望用于量子信息处理的固态实现。量子信息处理要求自旋具有长退相干时间并能实现快速的量子操作。而实际器件化还需要在室温条件下满足这些要求。本项目重点研究了室温下若干II-VI 族半导体量子点的电子自旋动力学以及超快控制。在项目执行过程中，自主建立了电子自旋态光学泵浦、探测及控制的实验系统；基于ZnO、CdS等各种半导体量子点或纳米结构材料，利用时间分辨的Faraday旋转光谱技术研究了不同激光波长及偏振状态、不同磁场强度下电子自旋退相干动力学，发现其中CdS量子点在室温条件下自旋退相干时间可长达3ns以上。根据自旋退相干时间随磁场依赖关系，可推测低磁场下自旋退相干主要因素为电子自旋-核自旋超精细耦合相互作用，而在较高磁场下，则由量子点非均匀展宽决定。在传统的泵浦-探测实验装置基础上，在泵浦光与样品作用之前引入一线偏振预泵浦激光脉冲，将显著地增强电子自旋相干信号。在泵浦光产生电子自旋极化后，引入一线偏振或圆偏振的控制光脉冲，将有效地减小泵浦光产生的自旋幅度，实现了室温下亚皮秒量级自旋幅度的快速控制。该课题研究成果对于发展室温下可操作的自旋量子器件具有重要的参考意义。