关于光学活性半导体量子点的认识
发布时间：2023-03-27 08:00:00 阅读数： 154
光学活性半导体量子点具有很高的禁锢潜力，使它们能够与光发生强烈的相互作用，并容纳电子和空穴。这种禁锢产生了一个研究量子现象的多层次系统，使它们成为量子计算和其他新兴技术的有希望的候选者。
半导体量子点：概述
量子点是半导体纳米晶体，直径为2-10纳米，表现出类似于孤立原子的离散电子能级。它们在20世纪70年代首次被提出，并在20世纪80年代成功生产。
随着半导体粒子尺寸的缩小，量子效应开始发挥作用，这限制了粒子中空穴和电子可以存在的能量。这使得粒子的光学特性可以根据其大小进行调整。
通过操纵粒子的大小，半导体量子点可以被设计成吸收或发射特定波长的光。
是什么使半导体量子点具有光学活性？
半导体量子点只有在与载流子和光强烈互动时才具有光学活性。这种相互作用是具有高封闭电位的量子点所特有的，它可以同时容纳空穴和电子。因此，并不是所有的量子点都被认为具有光学活性，即使它们在某种程度上与光相互作用。
光主要通过半导体量子点的传导带和价带或周围的半导体材料之间的转换与光学活性半导体量子点相互作用。
当短波长的光束击中量子点时，电子吸收光能并从价带（低能量）被激发到传导带（高能量）。相反，当电子从传导带下降到价带时，它们会发射出光。
这些相互作用使得对两个可测量的数量的调查成为可能：半导体量子点的发光和光吸收率。此外，还可以观察到非共振的相互作用，如拉曼转换或法拉第效应，对操纵和自旋读出特别有用。
光学活性半导体量子点存在光谱和空间的不均匀性；因此，很难足够精确地预测每个量子点的能量和位置。这一特性对量子信息处理的应用有重大影响，但不一定是负面影响。
半导体量子点的制造方法
目前，自组装生长方法被广泛用于制造高质量的半导体量子点。Stranski-Krastanow生长模式有效地产生了无缺陷的纳米结构，在较高的带隙基体中具有窄带隙材料。
另一个有效的方法是利用在薄量子阱的外延形成过程中自然发生的厚度变化。
潜在的应用
量子计算
半导体量子点是研究量子现象的一个很有前途的候选者，因为它们的多级系统涉及封闭的电子和空穴。
光学活性半导体量子点，如砷化铟（InAs），可以在静止的自旋和飞行的光子量子比特之间进行干扰。此外，通过控制能量特征态，被困在量子点内的自旋量子比特可以被操纵。
这些特性和它的固态半导体性质使光学活性量子点成为量子计算的有希望的候选者。
用于生物应用的光学活性手性量子点
发表在《纳米光子材料》第十二期上的一项研究开发了新型的光活性手性半导体量子点材料，并分析了其特性和生物应用。
研究人员设计了以青霉胺为稳定剂的手性量子点，发现用D-和L-青霉胺合成的量子点表现出相反的圆二色光谱。
所设计的手性量子点识别了某些生物分子，如氨基酸，并产生了水溶性的、发白的纳米四价体。这些纳米四角体在检测癌细胞方面显示出很好的效果。
最近的研究和发展
提高光学活性半导体量子点的存储时间
高效的自旋-光子界面对于量子网络以光子形式远距离分发静止的量子信息至关重要。光学活性半导体量子点是这一领域最有效的接口，但事实证明，将其存储时间增加到几微秒以上是很困难的。
在《自然-纳米技术》上发表的一项研究中，一个国际研究小组展示了一个简单的解决方案，将量子信息存储时间延长到一百微秒以上。
研究人员发现，使用具有相同晶格参数的半导体材料可以使原子核的行为一致。这允许去除外在的核噪音，从而使存储时间增加了近两个数量级。
这项研究代表了在为量子点自旋量子比特保留量子相干性方面的重大进展，这是全球开发实用量子网络和计算机的关键一步。
"量子点现在结合了高光子量子效率和长自旋相干时间。在不久的将来，我们设想这些设备能够为全光子量子计算创造纠缠的光态，并允许核自旋集合的基础性量子控制实验"，该研究的共同作者Mete Atatüre教授说。
未来展望
量子半导体量子点的未来看起来很有希望。它们的独特特性，如高封闭潜力和与光的强相互作用，使它们成为一个有吸引力的平台，可用于广泛的应用，而正在进行的研究将继续增加它们在未来的潜在应用。
参考资料
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