日前，浙江大学教授刘峰团队发现了俄歇过程的相干性，他们通过观察 Rabi 振荡和 Ramsey 干涉，证明俄歇过程是一个相干过程。这一发现揭示了辐射俄歇的新特性，为半导体量子点中的空穴高轨道态的相干操控提供了一种新的全光学方法。
此前，人们对于半导体量子点中单个载流子的相干操纵主要局限于最低轨道态。这是因为高轨道态的相干控制需要使用可调谐太赫兹脉冲，而这些脉冲通常由大型自由电子激光器产生，获取难度相对较高。而该团队通过全光学的方法来控制高轨道态的空穴，通过受激俄歇的过程实现了高保真度的相干操控。这一方法突破了之前由于缺乏可调谐太赫兹脉冲而导致的高轨道态相干控制的限制，解锁了量子点中高轨道态在量子计算等应用中的潜力。
此外，他们还通过受激俄歇过程，实现了高轨道空穴的确定性制备。这一独特能力让该团队能在没有其它载流子干扰的条件下研究单个空穴弛豫动力学。
基于这种能力，课题组观测到了 161ps 的空穴载流子弛豫时间，验证了声子瓶颈效应。
就应用前景来说：
其一，有望用于材料科学。即研究外延生长量子点、胶体量子点、二维材料等材料中载流子的弛豫机制，为研发性能更好的显示器、激光器和量子光源提供依据。
其二，有望用于量子计算。即构建基于轨道态的固态量子比特。尽管目前空穴的高轨道态的寿命还比较短，但是通过控制量子点的生长条件有望大幅延长其寿命，获得性能更优的固态量子比特。
其三，有望为实现超快全光开关和超分辨成像提供新机制，具体来说脉冲驱动的受激俄歇过程，可被用于量子点的高速、高保真的退激发。
据介绍，该团队对辐射俄歇现象的研究源自一次意外的观测。受到已有文献的启发，他们在带正电的量子点中，意外观测到了疑似俄歇过程的信号。这个信号非常之弱，其强度是常规荧光峰的十分之一甚至是千分之一。
刘峰表示：“对于上述现象我们充满了好奇，但也需要非常谨慎的反复确认。因为从以往经验来看大多数初步‘新现象’，最终都能用现有理论解释。”
随后，课题组利用多种量子光学技术对猜测进行交叉验证，期间需要根据实验中的蛛丝马迹来推测信号的根源。最终，他们确认所观测到的弱信号，的确来自于辐射俄歇过程。
在这之后，他们又对辐射俄歇过程展开研究，借此观测到一系列新的现象，并为其提供了理论解释。
日前，相关论文以《半导体量子点中高轨道空穴的相干控制》（Coherent control of a high-orbital hole in a semiconductor quantum dot）为题发在 Nature Nanotechnology，博士生鄢军勇为第一作者，刘峰担任通讯作者[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）
接下来，他们计划进一步探索量子点中基于轨道态的量子光学现象，例如受激拉曼跃迁、载流子与光子之间的轨道频率纠缠的生成等。
参考资料：
1.Yan, JY., Chen, C., Zhang, XD. et al. Coherent control of a high-orbital hole in a semiconductor quantum dot. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01442-y
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