近日，中國科學院大連化學物理研究所化學動力學研究室光電材料動力學研究組研究員吳凱豐與副研究員朱井義團隊受邀發(fā)表關于膠體鈣鈦礦量子點中的量子相干現(xiàn)象與動力學光學調控的綜述文章。該綜述系統(tǒng)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(zhàn)和機遇。

半導體納米晶（即量子點）是發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)勢。但是，傳統(tǒng)的II-VI族膠體量子點由于表界面缺陷、暗態(tài)干擾以及較小的光學躍遷偶極矩等原因，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(zhàn)。近年來出現(xiàn)的鈣鈦礦量子點則展現(xiàn)出了非常高效的光吸收和發(fā)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(fā)展了圓偏振飛秒瞬態(tài)磁光技術，在室溫下實現(xiàn)了鈣鈦礦量子點中空穴自旋的超快相干操控（Nat. Nanotechnol.，2023）；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（Nat. Mater.，2022）；基于磁場實現(xiàn)了對些精細結構和相干動力學的定量調控（Adv. Mater.，2024）；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（Nat. Commun.，2022；J. Am. Chem. Soc.，2023）。這些工作系統(tǒng)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(xiàn)的新穎相干現(xiàn)象的綜述，探討這些現(xiàn)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(yōu)勢，例如高純度、高穩(wěn)定性和良好的相干性。隨后，綜述介紹了這些量子點中獨特的躍遷偶極集體相干行為（即超熒光）。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(xiàn)象應用于量子信息技術中的挑戰(zhàn)，并展望了潛在的解決方案和技術路線。

相關綜述以“Coherent phenomena and dynamics of lead halide perovskite nanocrystals for quantum information technologies”為題，于近日發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。上述工作得到了中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃、新基石科學基金會科學探索獎、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01922-z