文章来源：物理研究所
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)。
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。
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。
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。
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）。
