半導體所等實現半導體中光學聲子的可分辨邊帶拉曼冷卻

2012年諾貝爾物理學獎授予了法國科學家Serge Haroche和美國科學家David Wineland。他們兩位在過去數十年里，在光與原子(離子)相互作用的最基本層面上，即單量子態水平上展現腔量子電動力學效應。實驗技術的進步促使人們又開始關注基於固體量子態的腔QED效應及其量子調控。

固體與單原子(離子)相比，有著更豐富的量子態，這為發現更多新穎的腔QED效應提供難得的機遇。而單個聲子態的激光冷卻和調控在量子態的製備和操控具有非常重要的作用。要實現光子-聲子系統的量子調控，首先要求目標聲子處於量子基態，就要求聲子的有效溫度冷卻得足夠低。目前，單個聲子的激光超控研究主要集中在冷原子體系和光力諧振子中，迄今已取得了巨大的成就。通過激光冷卻的技術，人們可以將冷原子體系中的原子振動或者光力諧振子中的力學聲子（Mechanical Phonon）進行冷卻和放大，實現量子相干態和壓縮態製備、玻色－愛因斯坦凝聚、聲子受激發射和聲子激光器以及寬頻太赫茲頻率梳等。然而，冷原子和人工微納力學振子不但需要非常昂貴的實驗裝置和複雜的製備工藝，而且由於這些系統中聲子的振動頻率通常處於幾十MHz 到十幾個GHz 的量級，需要在液氦（4.2 K）或者更低（幾個mK）的溫度下工作，因此這些研究只局限於世界上少數的科研機構，限制和阻礙了相應科學的發展和器件的應用。這就使得進一步尋找和研究新奇的量子體系來實現聲子的激光調控成為非常緊迫和重要的課題。

不同於力學諧振子，晶體中由原子晶格振動構成的本質晶格聲子（Intrinsic Lattice Phonon）具有更寬的頻譜範圍、更高的振動頻率上限（幾十GHz到幾十THz）和更大的色散特性，因此非常適合基於聲子的室溫量子調控。一些研究成果已經展示了光子與晶格聲子可控耦合的可能性，比如人們已經利用金剛石中的光學聲子模式來實現量子糾纏和量子模擬。

最近，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員張俊課題組和新加坡南洋理工大學教授熊啟華合作，利用聲子-激子的強耦合下光對縱光學（LO）聲子產生的Fr hlich作用力，在半導體ZnTe 納米帶中實現了單個縱光學（LO）聲子的可分辨邊帶拉曼冷卻和加熱。他們的結果證明了在激子-聲子強耦合下，完全可以實現對半導體中單個光學聲子態的光學操控。在他們的實驗中，LO 聲子的頻率約7 THz，即使在室溫下，LO 聲子已經接近量子基態，因此通過將LO 聲子和光子進行強耦合，可為實現室溫環境下固體量子信息和量子計算提供一個非常簡單的平台。該研究工作最近發表在《自然-光子學》（Nature Photonics 10, 600–605 （2016）) 上，這一工作不但對於基於聲子的固體量子調控和量子計算有著重要的意義，而且對於實現THz頻率聲子激光器和固體材料的拉曼冷卻提供了可能。同一期《自然-光子學》在News & View中對該工作進行了報道（Nature Photonics 10, 566–567 （2016））。

張俊是該論文的第一作者和共同通訊作者，該工作得到了中組部青年千人計劃、國家自然科學基金委、國家重點研發項目和中科院盧嘉錫國際團隊的大力支持。

半導體所等實現半導體中光學聲子的可分辨邊帶拉曼冷卻

[責任編輯:戰釗]

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