基于压缩态光场的自旋噪声谱仪对单自旋量子态的精密测量

This research program is devoted to ultrasensitive measurements of a single spin quantum state by means of spin noise spectroscopy (SNS) based on magneto-optic Faraday effect. To directly obtain a spin noise spectrum, the optical noise is highly suppressed by utilizing a squeezed and linearly polarized light, of which the noise level is clearly below the standard shot noise limit, and the electronic thermal noise is strongly weakened by a home-designed low-noise detection and amplifier system which is placed in a closed helium cycle cryostat. By means of low-power SNS for (110)-GaAs quantum wells and (In,Ga)As/GaAs quantum dots in the limit of non-demolition detections, the spin physics (i.e. intrinsic spin relaxation) of a single spin state will be carefully addressed. Based on electrical control of a single spin state, the spin interaction with the local environment and the susceptibility with an external perturbation will be carefully explored. The ultrasensitive SNS technique can pave the way to the first microscopic mapping of an electrically controllable quantum spin state.

本项目致力基于磁光法拉第效应的高灵敏度自旋噪声谱对单自旋量子态的精密探测研究。为了直接测量自旋噪声谱，本项目采用压缩态的偏振光源，将光噪声降低于散粒噪声基准以下；通过低温条件下的光电探测和信号运放系统，进一步抑制电子热噪声。在弱光功率条件下，通过对(110)-GaAs量子阱和(In,Ga)As/GaAs量子点等半导体量子系统自旋噪声谱的直接测量，检验自旋噪声谱技术对自旋态测量无损害影响的下限，从而实现对单个自旋量子态自旋弛豫速率等物理特征更为精密的探测。通过对自旋量子态的电学调控，深入研究单自旋态与环境的作用以及对环境变化的响应。高分辨率自旋噪声谱技术，也将对自旋量子态在电学调控下微观尺度自旋物理性质的改变提供精密光学测量。

深刻理解晶格，电荷，轨道，能谷等和自旋的相互作用以及对自旋动力学的影响是实现自旋电子学器件的重要前提。基于磁光法拉第/科尔效应的自旋噪声谱技术由于在频域对自旋的涨落进行探测，具有对长自旋寿命体系进行无扰动测量的潜力。本项目为了实现高灵敏度自旋噪声谱对自旋态的精密测量，在自旋噪声谱仪的研制，微区光学探测光学平台的搭建和压缩态偏振光源的发展方面开展了扎实具体的研究。在自旋噪声谱仪的开发方面，本项目基于现场可编程门阵列成功研制多参数可调自旋噪声谱仪系统，实现了采样速率、采样点数、平均次数等多参数可调的频谱仪功能，显著提升了数据利用率，效率约是频谱分析仪600倍；在搭建微区光学探测光学平台方面，建立并发展了基于泵浦-探测原理的超快微区光学精密测量平台。该平台集成了磁光科尔超快测量、差分反射率超快测量和荧光超快测量等三种微区光学手段，可以同一个样品在相同实验条件下分别研究自旋动力学、双极性载流子动力学以及少子载流子动力学过程；在高压缩度光源的研制方面，于795nm波段采用两镜驻波光学参量腔制备并直接探测到3.0dB的压缩态光场输出，利用四镜环形行波腔进一步降低非线性晶体吸收损耗和热效应将压缩度提高至4dB，考虑光电管的量子效率后最大压缩度达到5.3dB；于1064nm波段实现了最高压缩度为12.6dB的明亮压缩态光场；于1550nm波段实现最高压缩度为12.3dB的通信波段压缩真空态光场输出。本项目的研究为下一步开展自旋量子态的电学调控，微观尺度下自旋物理性质的深入研究奠定了基础。