物理所等半導(dǎo)體量子體系中波函數(shù)的磁場調(diào)控研究獲進展

　　半導(dǎo)體量子點是三維受限的準(zhǔn)零維納米結(jié)構(gòu)，由于量子限制效應(yīng)，其態(tài)密度分布呈現(xiàn)為一系列的分立函數(shù)，從而使其具有獨特的光學(xué)性質(zhì)和量子特性。由于半導(dǎo)體自組織InGaAs量子點的生長和加工工藝可以與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相結(jié)合，且激子及自旋具有較長的相干時間，因此其在光電子器件以及量子信息科學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，比如單光子源、激子和自旋比特、量子邏輯門和量子存儲等。單電荷及其自旋態(tài)的制備與操控是實現(xiàn)這些應(yīng)用的基礎(chǔ)。

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)光物理重點實驗室許秀來課題組與研究員金奎娟、日立劍橋?qū)嶒炇褼avid A. Williams、復(fù)旦大學(xué)教授盛衛(wèi)東合作，對半導(dǎo)體InGaAs量子點在電場、磁場調(diào)節(jié)下的熒光光譜進行了系統(tǒng)、深入的研究，并取得了一系列的進展。他們制備了單量子點的肖特基二極管，通過電場和磁場實現(xiàn)了單個量子點中不同帶電激子態(tài)的精確調(diào)控【Appl. Phys. Lett. 105, 041109 (2014)】。在此基礎(chǔ)上，他們首次通過磁場對單量子點中波函數(shù)的縱向調(diào)控，實現(xiàn)了量子點中電偶極矩翻轉(zhuǎn)。對于一般金字塔形量子點來說，空穴的波函數(shù)由于受到縱向應(yīng)力的影響通常分布在金字塔的底部，而電子波函數(shù)在縱向相對分布均勻，從而導(dǎo)致電子波函數(shù)質(zhì)心相對于空穴更接近金字塔頂端，形成正向固有電偶極矩。通常情況下這種固有電偶極矩跟In組分有關(guān)，量子點的生長結(jié)束，固有偶極矩方向隨之確定。通過對金字塔形量子點進行磁場調(diào)控發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加從量子點基底指向頂點方向的磁場時，由于回旋共振空穴的波函數(shù)在基底平面內(nèi)將會受到壓縮，由于量子點中從頂部到基底線性減小的限制作用，在空穴波函數(shù)收縮的過程中，其質(zhì)心將會向量子點頂部移動。而對于縱向分布相對均勻的電子而言，其波函數(shù)質(zhì)心幾乎不移動。從而實現(xiàn)了固有偶極矩的大小和方向的磁場調(diào)控，相關(guān)文章發(fā)表在Scientific Reports. 5, 8041 (2015)。

　　同時他們通過反?？勾判?yīng)直接觀測到了單個量子點與浸潤層的耦合形成的多體激子態(tài)。高激發(fā)功率條件下，光生載流子首先填滿量子點的激發(fā)態(tài)然后逐漸填充二維浸潤層，此時電子空穴通過庫倫相互作用形成多體激子態(tài)。在磁場的作用下研究光致發(fā)光光譜，當(dāng)浸潤層中的電子與量子點中的空穴復(fù)合后，由于二維浸潤層中電子的波函數(shù)擴展，觀測到了非常大的“正”抗磁現(xiàn)象，其抗磁系數(shù)接近體材料的抗磁系數(shù)，比量子點中激子的抗磁系數(shù)大了一個數(shù)量級。當(dāng)量子點中的電子和空穴復(fù)合后，觀測到了非常大的反常“負”抗磁現(xiàn)象，其抗磁系數(shù)是量子點中激子的負抗磁系數(shù)的5倍左右。這是由于電子空穴復(fù)合發(fā)光后，失去了空穴的吸引，量子點激發(fā)態(tài)剩余的電子波函數(shù)擴展到浸潤層，量子點平面內(nèi)末態(tài)波函數(shù)擴展比初態(tài)大很多所導(dǎo)致的。發(fā)射光子的特性依賴于浸潤層中電子波函數(shù)的擴展意味著零維和二維體系的耦合，這種現(xiàn)象也通過施加不同方向的磁場進行了實驗驗證。通過磁場觀測零維和二維體系中的雜化態(tài)，對研究量子體系中的多體物理以及實現(xiàn)固態(tài)量子信息處理具有重要的意義。相關(guān)文章發(fā)表在2015年12月的Nano Research上。

　　以上工作得到了科技部“973”項目，國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、面上項目，以及中國科學(xué)院百人計劃等的資助。

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    圖1 激子固有電偶極矩隨磁場的變化。隨磁場的增加，偶極矩值由正變負，表明磁場調(diào)控電子空穴波函數(shù)發(fā)生倒置，如圖內(nèi)電子和空穴波函數(shù)變化示意圖所示。

    圖2 電場和磁場共同作用下量子點的熒光光譜。在高激發(fā)功率下，由于庫倫相互作用形成多體激子態(tài)，量子點中的空穴和量子點中的電子、浸潤層中的電子復(fù)合發(fā)光后，光子的發(fā)射特性如圖所示，觀測到了大的“正”抗磁、正?？勾努F(xiàn)象和反常“負”抗磁現(xiàn)象，如圖中綠色三角、黑色方塊和紅色圓圈所標(biāo)記。

圖3 擬合得到的多體激子態(tài)的抗磁系數(shù)，對應(yīng)圖2中所標(biāo)記的光譜。

    圖4 單個量子點和二維浸潤層的耦合示意圖。量子點內(nèi)的空穴和電子復(fù)合發(fā)光后，觀測到反常的“負”的抗磁現(xiàn)象(右上)，量子點內(nèi)的空穴和二維浸潤層中的電子復(fù)合發(fā)光后，觀測到“正”的大抗磁現(xiàn)象（右下）。