Новости науки 15.12.01. Большие времена когерентности в квантовых точках.

Одним из перспективных применений полупроводниковых квантовых точек ( "искусственных атомов" ) является их использование в качестве элементов квантовой логики. Для выполнения квантовых вычислений необходимо, чтобы задействованные квантовые состояния обладали достаточно большим временем когерентности. Эксперименты датских ученых показывают, что при низких температурах в квантовых точках могут реализовываться достаточно большие времена когерентности.

Рис.1. Спектр фотолюминесценции структуры с квантовыми точками InAlGaAs/GaAlAs (сплошная линия без точек).

Использование квантовых точек в таких перспективных приложениях, как квантовая криптография (мы уже писали о работах по созданию источников одиночных фотонов на основе квантовых точек) и создание квантовых компьютеров, привлекает в настоящее время большое внимание исследователей. Одним из основных вопросов является вопрос, как быстро в системе происходит потеря когерентности. В принципе, можно реализовать технику манипулирования фотовозбужденными носителями на сверхкоротких временах (порядка фемтосекунды), но, в любом случае, желательно, чтобы время когерентности было по возможности большим.

При оптическом возбуждении в квантовой точке рождаются электрон-дырочные пары (связанное состояние электрона и дырки называется экситоном), которые существуют в течении конечного времени, после чего происходит рекомбинация (аннигиляция) электрона и дырки. Однако вследствие того, что в твердых телах электронные возбуждения взаимодействуют как с кристаллической решеткой, так и между собой, система достаточно быстро "забывает" начальную фазу (чем выше температура, тем быстрее). Казалось бы, существует достаточно простой способ узнать, как быстро это происходит, основанный на том, что конечное время когерентности ответственно за (однородную) ширину линии излучения квантовой точки. Однако "искусственные атомы", в отличие от естественных, характеризуются определенным разбросом своих параметров и, соответственно, энергия основного состояния состояния меняется от точки к точке. В результате спектр люминесценции структуры представляет собой суперпозицию множества линий излучения отдельных квантовых точек (см. Рис.1 и Рис.2), и ширина суммарной "линии излучения" структуры равняется десяткам миллиэлектронвольт. В принципе, с помощью различных ухищрений удается выделять из множества квантовых точек одну (или малое число) и регистрировать ее излучение. Оценки времени дефазировки, полученные таким путем, дают значения времени когерентности не более 50 пикосекунд (при низких температурах), что примерно на порядок меньше времени жизни экситона в квантовой точке.

Рис.2. Спектр фотолюминесценции субмикронного участка структуры с квантовыми точками; относительно небольшое число "светящихся" квантовых точек приводит к "распаду" бесструктурной полосы люминесценции на множество отдельных линий.

В недавней работе датских ученых [1] методом четырехволнового смешения определялись времена дефазировки в структуре с квантовыми точками InAlGaAs/GaAlAs, а также измерялись ширины линий отдельных квантовых точек. Было показано, что оценка времени когерентности по ширине линии люминесценции является заниженной: дело в том, что сигнал от отдельной квантовой точки накапливается достаточно долго, и за это время изменение электростатического окружения может приводить к вариации положения уровня энергии; следствием этого является "дополнительное" уширение линии. Эксперименты показали, что при близких к нулю температурах экситоны в квантовых точках могут "помнить" свое начальное состояние практически в течении всего времени жизни (около наносекунды).

1. D.Birkedal, K.Leosson, and J.M.Hvam. Phys.Rev.Lett. v.87, 227401 (2001).

перейти к началу страницы