半导体量子点是三维受限的准零维纳米结构，由于量子限制效应，其态密度分布呈现为一系列的分立函数，从而使其具有独特的光学性质和量子特性。由于半导体自组织InGaAs量子点的生长和加工工艺可以与传统的半导体工艺相结合，且激子及自旋具有较长的相干时间，因此其在光电子器件以及量子信息科学等领域具有重要的应用，比如单光子源、激子和自旋比特、量子逻辑门和量子存储等。单电荷及其自旋态的制备与操控是实现这些应用的基础。

最近，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理重点实验室许秀来课题组与研究员金奎娟、日立剑桥实验室David A. Williams、复旦大学教授盛卫东合作，对半导体InGaAs量子点在电场、磁场调节下的荧光光谱进行了系统、深入的研究，并取得了一系列的进展。他们制备了单量子点的肖特基二极管，通过电场和磁场实现了单个量子点中不同带电激子态的精确调控【Appl. Phys. Lett.105, 041109 (2014)】。在此基础上，他们首次通过磁场对单量子点中波函数的纵向调控，实现了量子点中电偶极矩翻转。对于一般金字塔形量子点来说，空穴的波函数由 于受到纵向应力的影响通常分布在金字塔的底部，而电子波函数在纵向相对分布均匀，从而导致电子波函数质心相对于空穴更接近金字塔顶端，形成正向固有电偶极 矩。通常情况下这种固有电偶极矩跟In组分有关，量子点的生长结束，固有偶极矩方向随之确定。通过对金字塔形量子点进行磁场调控发现，当施加从量子点基底 指向顶点方向的磁场时，由于回旋共振空穴的波函数在基底平面内将会受到压缩，由于量子点中从顶部到基底线性减小的限制作用，在空穴波函数收缩的过程中，其 质心将会向量子点顶部移动。而对于纵向分布相对均匀的电子而言，其波函数质心几乎不移动。从而实现了固有偶极矩的大小和方向的磁场调控，相关文章发表在Scientific Reports.5, 8041 (2015)。

    图1 激子固有电偶极矩随磁场的变化。随磁场的增加，偶极矩值由正变负，表明磁场调控电子空穴波函数发生倒置，如图内电子和空穴波函数变化示意图所示。

    图2 电场和磁场共同作用下量子点的荧光光谱。在高激发功率下，由于库伦相互作用形成多体激子态，量子点中的空穴和量子点中的电子、浸润层中的电子复合发光后， 光子的发射特性如图所示，观测到了大的“正”抗磁、正常抗磁现象和反常“负”抗磁现象，如图中绿色三角、黑色方块和红色圆圈所标记。

同时他们通过反常抗磁效应直接观测到了单个量子点与浸润层的耦合形成的多体激子态。高激发功率条件下，光生载流子首先填满量子点的激发态然后逐渐填充二 维浸润层，此时电子空穴通过库伦相互作用形成多体激子态。在磁场的作用下研究光致发光光谱，当浸润层中的电子与量子点中的空穴复合后，由于二维浸润层中电子的波函数扩展，观测到了非常大的“正”抗磁现象，其抗磁系数接近体材料的抗磁系数，比量子点中激子的抗磁系数大了一个数量级。当量子点中的电子和空穴复 合后，观测到了非常大的反常“负”抗磁现象，其抗磁系数是量子点中激子的负抗磁系数的5倍左右。这是由于电子空穴复合发光后，失去了空穴的吸引，量子点激 发态剩余的电子波函数扩展到浸润层，量子点平面内末态波函数扩展比初态大很多所导致的。发射光子的特性依赖于浸润层中电子波函数的扩展意味着零维和二维体 系的耦合，这种现象也通过施加不同方向的磁场进行了实验验证。通过磁场观测零维和二维体系中的杂化态，对研究量子体系中的多体物理以及实现固态量子信息处 理具有重要的意义。相关文章发表在2015年12月的Nano Research上。

图3 拟合得到的多体激子态的抗磁系数，对应图2中所标记的光谱。

    图4 单个量子点和二维浸润层的耦合示意图。量子点内的空穴和电子复合发光后，观测到反常的“负”的抗磁现象(右上)，量子点内的空穴和二维浸润层中的电子复合发光后，观测到“正”的大抗磁现象（右下）。

以上工作得到了科技部“973”项目，国家自然科学基金重大研究计划、面上项目，以及中国科学院百人计划等的资助。

文章链接：

Longitudinal wave function control in single quantum dots with an applied magnetic field

Observation of coupling between zero- and two-dimensional semiconductor systems based on anomalous diamagnetic effects

许秀来研究员简介：

中国科学院物理研究所光物理重点实验室研究员，博士生导师

Email：xlxu@iphy.ac.cn

个人主页：http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=1779

主要研究方向：量子光电子学，主要研究半导体纳米体系的光电性质及其在量子计算、量子信息处理与自旋电子学中的应用。

个人简介：

男，1975年9月出生于江苏如皋。1996毕业于吉林大学电子工程系。1999年在中国 科学院长春光学机密机械与物理研究所获得硕士学位。2005年于剑桥大学卡文迪许实验室获得博士学位。2005-2011年在日立剑桥实验室先后担任博士后研究员、终身研究员和高级研究员。2009-2012年兼任剑桥大学CLARE HALL学院的RESEARCH FELLOW。2011年入选中科院“百人计划”，现任量子体系光电子学课题组组长、研究员、博士生导师。

过去主要研究工作和成果：

主要研究了基于半导体量子点的单光子光源并实现了‘即插即用’单光子源器件；单量子态的操 控及其初始化，多量子点之间的量子耦合以及量子比特的扩展；基于二维电子气晶体管的可光子数分辨的光子计数器；单量子和光子晶体微腔的强耦合体系；二维电 子气中的自旋霍尔效应；低微纳米线的低温传输和量子阱中载流子的自旋动力学等。已经在Nature Physics，Nano Letters，Physics Review B，Applied Physics Letters，New Journal of Physics等杂志发表文章50篇，共被引用510多次。获得欧洲专利2项。

目前的研究课题及展望:

目前的主要研究方向为半导体纳米体系的光电 性质及其在固态量子信息、量子计算和自旋电子学中的应用。具体包括：高效量子点单光子发射源和单光子探测器；量子点量子比特(包括量子点中的电荷、激子和 电荷自旋)的初始化、相干控制、探测；多量子比特的纠缠与扩展；半导体纳米结构中的载流子的超快自旋动力学和低温传输；量子点与光子晶体微腔、表面等离子 体的耦合；量子光学网络的实现。 目前承担科学院‘百人计划’，物理所人才启动，国家自然科学基金重大研究计划、面上项目和科技部‘973’研究计划课题。

金奎娟研究员简介：

中国科学院物理研究所光物理重点实验室研究员，博士生导

Email：kjjin@iphy.ac.cn

个人主页：http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=399

课题组主页：http://L03.iphy.ac.cn

主要研究方向：氧化物人工结构设计及其磁、光、电多场调控物理研究。

个人简介：

国家基金委杰出青年科学基金获得者。1995 年在中国科学院物理所获理学博士学位，师从杨国桢院士。其间荣获中科院院长奖学金特等奖。1995年留所工作。研究论文曾获《饶毓泰基础光学》一等奖。随 后分别在美国橡树岭国家实验室和田纳西大学、瑞典LUND大学作博士后。2003年回所工作。2005年任L03课题组组长，2008年任北京凝聚态物理 国家实验室（筹）主任助理，2009年任中科院光物理重点实验室主任，中国物理学会光物理专业委员会主任。2010年获得“全国优秀科技工作者”荣誉称号 和奖章。2011年当选英国物理学会（IOP）Fellow，同年荣获中国物理学会谢希德物理奖，当选中国物理学会常务理事。2012年当选美国物理学会 会士(APS fellow)。2013年当选亚太物理学会（AAPPS）常务理事（Council Member），并作为首席科学家承担国家重大研究计划项目。担任nature子刊Sci. Rep.，中国科学，中国物理快报等多种国际学术期刊编委。

过去的主要工作及获得的成果:
1、将Fano理论较系统地推广到半导体新体系。揭示了在该体系的光吸收、Raman散射和光电导等 实验中的Fano效应机制。

2、阐明了激光法原子尺度氧化物薄膜的生长机制和建立了相应的理论模型。

3、发现了低维氧化物材料的Dember光电特性。建 立了处理关联氧化物体系相应的理论模型，解释了氧化物薄膜和异质结奇异巨磁电阻特性和超快光电效应的机制。
以上工作发表在 Adv. Mater., Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, 和 Appl. Phys. Lett. 等刊物上的SCI收录论文180余篇，论文被SCI刊物引用2000余次；得到国际学术会议邀请做特邀报告20余次。

目前的研究课题及展望:
承担主要项目情况如下：
国家重大基础研究计划项目首席科学家，获得国家杰出青年科学基金，重点基金，科学院先导B其中项目负责人。

（本文整理自中科院物理所网站http://www.iop.cas.cn）

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