JPCM编辑优选：非对称束缚势量子点中的自旋-光子相互作用

文章介绍

Rui Li（李睿）

通讯作者：

• 李睿，燕山大学

研究背景：

为了实现量子点自旋量子比特的可控操纵，以及实现长远距离两自旋量子比特间的相互作用，通常将单个或多个自旋量子比特与谐振腔耦合在一起。当前的主流研究思路利用了自旋量子比特与谐振腔光子间的横向相互作用。而横向相互作用往往需要自旋量子比特的能级差与谐振腔中的光子能量发生共振，但是谐振腔的固有频率（光子能量）不容易调控，从而不方便对自旋量子比特进行谐振腔调控。而纵向相互作用不需要自旋量子比特与谐振腔的共振条件，从而为自旋量子比特的腔场调控以及长远距离相互作用提供了新的解决方案。本文利用量子点的非对称束缚势与材料中的自旋轨道耦合作用来联合诱导出纵向的自旋-光子相互作用。

研究内容：

本文采用非对称有限深方势阱来模拟半导体纳米线量子点的束缚势，在强自旋轨道耦合条件下精确求解了纳米线量子点中的最低两个能量本征态。自旋量子比特就编码在量子点的最低两个能态上，由于自旋轨道耦合的杂化作用，其可以与超导谐振腔的电场分量有直接的耦合作用。得到自旋量子比特的精确基矢后，自旋与谐振腔光子间的相互作用形式可以通过计算电偶极算符 的表达式而得到。量子点的非对称束缚势与自旋轨道耦合联合诱导出自旋与光子间的横向以及纵向相互作用。图1显示自旋量子比特的能级差，纵向以及横向自旋-光子相互作用随自旋轨道耦合的变化关系。图2显示调节非对称方势阱其中一个势垒高度时的结果。当 meV时，方势阱为对称势，此时不存在有纵向的自旋-光子相互作用。本文用长度来描述自旋-光子相互作用的相对强度。纵向自旋-光子相互作用为半导体量子点的自旋调控、自旋测量提供了新的有效解决方案。

图1. 自旋量子比特的能级差 (a)， 纵向（实线）和横向（虚线）自旋-光子相互作用 (b) 随自旋轨道耦合的变化关系。方势阱的两个势垒高度分别取为V₁=5meV，V₂=8meV。InSb纳米线量子点中的磁场强度为0.04T。

图2. 自旋量子比特的能级差 (a)， 纵向（实线）和横向（虚线）自旋-光子相互作用 (b) 随势垒高度V2的变化关系。方势阱的另一个势垒高度固定V1为5meV。InSb纳米线量子点中的自旋轨道耦合取为0.3eVÅ，磁场强度为0.04T。

作者介绍

• 2023年影响因子：2.3  Citescore: 5.3
• Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)为读者提供凝聚态物理、软物质、纳米科学和生物物理各领域的最新研究成果。JPCM发表实验/理论分析和模拟研究，读者可以获取涉及下列领域的专题综述、快报和特刊：表面、界面和原子尺度的科学，液体、软物质和生物物理，纳米材料和纳米电子，固体结构的晶格动力，电子结构，超导体和金属、半导体，电介质和铁电，以及磁学与磁性材料。