近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究室光電材料動(dòng)力學(xué)研究組研究員吳凱豐與副研究員朱井義團(tuán)隊(duì)受邀發(fā)表關(guān)于膠體鈣鈦礦量子點(diǎn)中的量子相干現(xiàn)象與動(dòng)力學(xué)光學(xué)調(diào)控的綜述文章。該綜述系統(tǒng)總結(jié)了鈣鈦礦量子點(diǎn)在量子光源和自旋量子比特載體等領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，詳細(xì)論述了近期開展的光學(xué)測(cè)量與調(diào)控的原理與方案，并展望了基于該材料平臺(tái)的量子信息技術(shù)在實(shí)用化進(jìn)程中面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
半導(dǎo)體納米晶（即量子點(diǎn)）是發(fā)展量子信息技術(shù)的一類重要材料平臺(tái)。量子點(diǎn)具有限域效應(yīng)產(chǎn)生的精確量子能級(jí)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)光學(xué)響應(yīng)行為，不僅能夠用作產(chǎn)生高品質(zhì)的單光子，還可以憑借其光生激子或載流子作為自旋比特，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子通信與量子傳感等。相比于目前廣泛使用的外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)，膠體量子點(diǎn)在溫和條件下就能展現(xiàn)出顯著的量子特性，在合成制備以及器件組裝等方面也有著不可比擬的成本優(yōu)勢(shì)。但是，傳統(tǒng)的II-VI族膠體量子點(diǎn)由于表界面缺陷、暗態(tài)干擾以及較小的光學(xué)躍遷偶極矩等原因，長(zhǎng)期以來在單光子源和自旋量子比特操縱等重要領(lǐng)域面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來出現(xiàn)的鈣鈦礦量子點(diǎn)則展現(xiàn)出了非常高效的光吸收和發(fā)射性能，有望成為一類新興的量子光源。此外，鈣鈦礦量子點(diǎn)較強(qiáng)的自旋-軌道耦合作用和巨大的躍遷偶極矩則大大降低了光學(xué)注入、操控和讀出自旋的難度，從而使其有望成為自旋量子比特的載體。
吳凱豐團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于膠體量子點(diǎn)的超快光譜與動(dòng)力學(xué)研究。近年來，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了圓偏振飛秒瞬態(tài)磁光技術(shù)，在室溫下實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點(diǎn)中空穴自旋的超快相干操控（Nat. Nanotechnol.，2023）；觀測(cè)到系綜層面的激子自旋相干拍頻，并揭示了激子精細(xì)結(jié)構(gòu)裂分的新機(jī)制（Nat. Mater.，2022）；基于磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)些精細(xì)結(jié)構(gòu)和相干動(dòng)力學(xué)的定量調(diào)控（Adv. Mater.，2024）；觀測(cè)到激子效應(yīng)下的布洛赫-西格特位移及超低閾值的激子光增益等（Nat. Commun.，2022；J. Am. Chem. Soc.，2023）。這些工作系統(tǒng)揭示了鈣鈦礦量子點(diǎn)中的量子相干效應(yīng)及動(dòng)力學(xué)調(diào)控機(jī)制，為其在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了關(guān)鍵參考。
在前期研究的基礎(chǔ)上，吳凱豐團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀撰寫了關(guān)于鈣鈦礦量子點(diǎn)中涌現(xiàn)的新穎相干現(xiàn)象的綜述，探討這些現(xiàn)象對(duì)量子信息技術(shù)的重要啟示。綜述首先總結(jié)了這類量子點(diǎn)作為單光子源的顯著優(yōu)勢(shì)，例如高純度、高穩(wěn)定性和良好的相干性。隨后，綜述介紹了這些量子點(diǎn)中獨(dú)特的躍遷偶極集體相干行為（即超熒光）。綜述還進(jìn)一步討論了這些量子點(diǎn)中激子與載流子的自旋相干動(dòng)力學(xué)及其操控等開拓性探索工作。最后，文章指出了將這些相干現(xiàn)象應(yīng)用于量子信息技術(shù)中的挑戰(zhàn)，并展望了潛在的解決方案和技術(shù)路線。
相關(guān)綜述以“Coherent phenomena and dynamics of lead halide perovskite nanocrystals for quantum information technologies”為題，于近日發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。上述工作得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、新基石科學(xué)基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01922-z
