首次將鈣鈦礦材料拓展到量子超快應用領域

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所激光與紅外材料實驗室研究員張龍、研究員董紅星領銜的微結構光物理研究團隊與華東師范大學、湖南大學等機構合作在超晶格微腔量子應用領域研究中取得重要進展，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，首次將鈣鈦礦材料拓展到量子超快應用領域，通過實驗和理論驗證了超晶格微腔中的腔增強超輻射現象，并基于此現象成功實現0.1TH的量子開關。相關成果發表于[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、優秀的電荷運輸等性能而廣泛應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典特性，尚未擴展到量子操控領域。研究團隊在基于鹵化鈣鈦礦的量子點系綜中產生了激子的協同量子態，并通過引入光學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典粒子反轉條件的限制，使得在皮秒量級的輻射時間內消散所有同相偶極子。這種具有可調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用。

該項研究中，提出了非平衡協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上進行了實驗驗證。這種多體量子器件不受經典粒子反轉條件的限制，具有獨特的輻射能力，可調帶寬高達0.1 THz。除了在鈣鈦礦系統中進行集體操作外，還開發了一種新的微腔結構——“量子點超晶格微腔”，可應用于各種材料設計具有遠程量子特性和高光學可控性的微型光電子器件。

相關工作得到了國家自然科學基金、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追蹤及微腔調制激光性能

圖2、腔增強的超輻射不同于傳統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量子轉換器件性能