首次將鈣鈦礦材料拓展到量子超快應(yīng)用領(lǐng)域

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所激光與紅外材料實驗室研究員張龍、研究員董紅星領(lǐng)銜的微結(jié)構(gòu)光物理研究團隊與華東師范大學(xué)、湖南大學(xué)等機構(gòu)合作在超晶格微腔量子應(yīng)用領(lǐng)域研究中取得重要進(jìn)展，提出基于鈣鈦礦量子點自組裝超晶格微腔的太赫茲量子開關(guān)，首次將鈣鈦礦材料拓展到量子超快應(yīng)用領(lǐng)域，通過實驗和理論驗證了超晶格微腔中的腔增強超輻射現(xiàn)象，并基于此現(xiàn)象成功實現(xiàn)0.1TH的量子開關(guān)。相關(guān)成果發(fā)表于[Nature Communications 11, 329 (2020)]。

鈣鈦礦材料由于其強烈的振子強度、高光伏吸收、優(yōu)秀的電荷運輸?shù)刃阅芏鴱V泛應(yīng)用于太陽能電池和光電器件。但是，目前鈣鈦礦材料的研究主要是利用其經(jīng)典特性，尚未擴展到量子操控領(lǐng)域。研究團隊在基于鹵化鈣鈦礦的量子點系綜中產(chǎn)生了激子的協(xié)同量子態(tài)，并通過引入光學(xué)微腔來控制激子量子系綜的超快輻射。超晶格微腔中激子量子系綜的受激輻射不受經(jīng)典粒子反轉(zhuǎn)條件的限制，使得在皮秒量級的輻射時間內(nèi)消散所有同相偶極子。這種具有可調(diào)輻射率的鈣鈦礦組裝超晶格微腔有望在超快、光電兼容的量子處理器中得到應(yīng)用。

該項研究中，提出了非平衡協(xié)同激子鈣鈦礦核的超快控制方案,并在一個長程有序，排列緊密的鈣鈦礦超晶格微腔的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實驗驗證。這種多體量子器件不受經(jīng)典粒子反轉(zhuǎn)條件的限制，具有獨特的輻射能力，可調(diào)帶寬高達(dá)0.1 THz。除了在鈣鈦礦系統(tǒng)中進(jìn)行集體操作外，還開發(fā)了一種新的微腔結(jié)構(gòu)——“量子點超晶格微腔”，可應(yīng)用于各種材料設(shè)計具有遠(yuǎn)程量子特性和高光學(xué)可控性的微型光電子器件。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市青年拔尖人才項目等支持。（激光與紅外材料實驗室）

圖1、超晶格微腔自組裝過程的動態(tài)追蹤及微腔調(diào)制激光性能

圖2、腔增強的超輻射不同于傳統(tǒng)激光在閾值以下時載流子快速耗散的特性

圖3、基于超晶格微腔的THz量子轉(zhuǎn)換器件性能