半導體量子點是三維受限的準零維納米結構，由于量子限制效應，其態密度分布呈現為一系列的分立函數，從而使其具有獨特的光學性質和量子特性。由于半導體自組織InGaAs量子點的生長和加工工藝可以與傳統的半導體工藝相結合，且激子及自旋具有較長的相干時間，因此其在光電子器件以及量子信息科學等領域具有重要的應用，比如單光子源、激子和自旋比特、量子邏輯門和量子存儲等。單電荷及其自旋態的制備與操控是實現這些應用的基礎。

　　最近，中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)光物理重點實驗室許秀來課題組與研究員金奎娟、日立劍橋實驗室David A. Williams、復旦大學教授盛衛東合作，對半導體InGaAs量子點在電場、磁場調節下的熒光光譜進行了系統、深入的研究，并取得了一系列的進展。他們制備了單量子點的肖特基二極管，通過電場和磁場實現了單個量子點中不同帶電激子態的精確調控【Appl. Phys. Lett. 105, 041109 (2014)】。在此基礎上，他們首次通過磁場對單量子點中波函數的縱向調控，實現了量子點中電偶極矩翻轉。對于一般金字塔形量子點來說，空穴的波函數由于受到縱向應力的影響通常分布在金字塔的底部，而電子波函數在縱向相對分布均勻，從而導致電子波函數質心相對于空穴更接近金字塔頂端，形成正向固有電偶極矩。通常情況下這種固有電偶極矩跟In組分有關，量子點的生長結束，固有偶極矩方向隨之確定。通過對金字塔形量子點進行磁場調控發現，當施加從量子點基底指向頂點方向的磁場時，由于回旋共振空穴的波函數在基底平面內將會受到壓縮，由于量子點中從頂部到基底線性減小的限制作用，在空穴波函數收縮的過程中，其質心將會向量子點頂部移動。而對于縱向分布相對均勻的電子而言，其波函數質心幾乎不移動。從而實現了固有偶極矩的大小和方向的磁場調控，相關文章發表在Scientific Reports. 5, 8041 (2015)。

　　同時他們通過反?？勾判苯佑^測到了單個量子點與浸潤層的耦合形成的多體激子態。高激發功率條件下，光生載流子首先填滿量子點的激發態然后逐漸填充二維浸潤層，此時電子空穴通過庫倫相互作用形成多體激子態。在磁場的作用下研究光致發光光譜，當浸潤層中的電子與量子點中的空穴復合后，由于二維浸潤層中電子的波函數擴展，觀測到了非常大的“正”抗磁現象，其抗磁系數接近體材料的抗磁系數，比量子點中激子的抗磁系數大了一個數量級。當量子點中的電子和空穴復合后，觀測到了非常大的反常“負”抗磁現象，其抗磁系數是量子點中激子的負抗磁系數的5倍左右。這是由于電子空穴復合發光后，失去了空穴的吸引，量子點激發態剩余的電子波函數擴展到浸潤層，量子點平面內末態波函數擴展比初態大很多所導致的。發射光子的特性依賴于浸潤層中電子波函數的擴展意味著零維和二維體系的耦合，這種現象也通過施加不同方向的磁場進行了實驗驗證。通過磁場觀測零維和二維體系中的雜化態，對研究量子體系中的多體物理以及實現固態量子信息處理具有重要的意義。相關文章發表在2015年12月的Nano Research上。

　　以上工作得到了科技部“973”項目，國家自然科學基金重大研究計劃、面上項目，以及中國科學院百人計劃等的資助。

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    圖1 激子固有電偶極矩隨磁場的變化。隨磁場的增加，偶極矩值由正變負，表明磁場調控電子空穴波函數發生倒置，如圖內電子和空穴波函數變化示意圖所示。

    圖2 電場和磁場共同作用下量子點的熒光光譜。在高激發功率下，由于庫倫相互作用形成多體激子態，量子點中的空穴和量子點中的電子、浸潤層中的電子復合發光后，光子的發射特性如圖所示，觀測到了大的“正”抗磁、正常抗磁現象和反常“負”抗磁現象，如圖中綠色三角、黑色方塊和紅色圓圈所標記。

圖3 擬合得到的多體激子態的抗磁系數，對應圖2中所標記的光譜。

    圖4 單個量子點和二維浸潤層的耦合示意圖。量子點內的空穴和電子復合發光后，觀測到反常的“負”的抗磁現象(右上)，量子點內的空穴和二維浸潤層中的電子復合發光后，觀測到“正”的大抗磁現象（右下）。