研究闡述鈣鈦礦量子點最新進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳凱豐與副研究員朱井義團隊受邀在《自然-材料》上，發表了關于膠體鈣鈦礦量子點中的量子相干現象與動力學光學調控的綜述文章。該綜述系統總結了鈣鈦礦量子點在量子光源和自旋量子比特載體等領域取得的研究進展，詳細論述了近期開展的光學測量與調控的原理與方案，并展望了基于該材料平臺的量子信息技術在實用化進程中面臨的挑戰和機遇。

鈣鈦礦量子點示意圖。大連化物所供圖

半導體納米晶（即量子點）是發展量子信息技術的一類重要材料平臺。量子點具有限域效應產生的精確量子能級結構和強光學響應行為，不僅能夠用作產生高品質的單光子，還可以憑借其光生激子或載流子作為自旋比特，實現量子計算、量子通信與量子傳感等。相比于目前廣泛使用的外延生長量子點，膠體量子點在溫和條件下就能展現出顯著的量子特性，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勢。但是，長期以來在單光子源和自旋量子比特操縱等重要領域面臨巨大挑戰。

近年來，鈣鈦礦量子點的出現展現出了非常高效的光吸收和發射性能，有望成為一類新興的量子光源。此外，鈣鈦礦量子點較強的自旋-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。

吳凱豐團隊長期致力于膠體量子點的超快光譜與動力學研究。近年來，團隊發展了圓偏振飛秒瞬態磁光技術，在室溫下實現了鈣鈦礦量子點中空穴自旋的超快相干操控；觀測到系綜層面的激子自旋相干拍頻，并揭示了激子精細結構裂分的新機制；基于磁場實現了對些精細結構和相干動力學的定量調控；觀測到激子效應下的布洛赫-西格特位移及超低閾值的激子光增益等。這些工作系統揭示了鈣鈦礦量子點中的量子相干效應及動力學調控機制，為其在量子信息技術領域的應用提供了關鍵參考。

在前期研究的基礎上，吳凱豐團隊應邀撰寫了關于鈣鈦礦量子點中涌現的新穎相干現象的綜述，探討這些現象對量子信息技術的重要啟示。綜述首先總結了這類量子點作為單光子源的顯著優勢，例如高純度、高穩定性和良好的相干性。隨后，文章介紹了這些量子點中獨特的躍遷偶極集體相干行為。

綜述還進一步討論了這些量子點中激子與載流子的自旋相干動力學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象應用于量子信息技術中的挑戰，并展望了潛在的解決方案和技術路線。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01922-z