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半导体中光学声子的可分辨边带拉曼冷却获进展

2016.9.09

　　2012年诺贝尔物理学奖授予了法国科学家Serge Haroche和美国科学家David Wineland。他们两位在过去数十年里，在光与原子(离子)相互作用的最基本层面上，即单量子态水平上展现腔量子电动力学效应。实验技术的进步促使人们又开始关注基于固体量子态的腔QED效应及其量子调控。

　　固体与单原子(离子)相比，有着更丰富的量子态，这为发现更多新颖的腔QED效应提供难得的机遇。而单个声子态的激光冷却和调控在量子态的制备和操控具有非常重要的作用。要实现光子-声子系统的量子调控，首先要求目标声子处于量子基态，就要求声子的有效温度冷却得足够低。目前，单个声子的激光超控研究主要集中在冷原子体系和光力谐振子中，迄今已取得了巨大的成就。通过激光冷却的技术，人们可以将冷原子体系中的原子振动或者光力谐振子中的力学声子（Mechanical Phonon）进行冷却和放大，实现量子相干态和压缩态制备、玻色－爱因斯坦凝聚、声子受激发射和声子激光器以及宽带太赫兹频率梳等。然而，冷原子和人工微纳力学振子不但需要非常昂贵的实验装置和复杂的制备工艺，而且由于这些系统中声子的振动频率通常处于几十MHz 到十几个GHz 的量级，需要在液氦（4.2 K）或者更低（几个mK）的温度下工作，因此这些研究只局限于世界上少数的科研机构，限制和阻碍了相应科学的发展和器件的应用。这就使得进一步寻找和研究新奇的量子体系来实现声子的激光调控成为非常紧迫和重要的课题。

　　不同于力学谐振子，晶体中由原子晶格振动构成的本质晶格声子（Intrinsic Lattice Phonon）具有更宽的频谱范围、更高的振动频率上限（几十GHz到几十THz）和更大的色散特性，因此非常适合基于声子的室温量子调控。一些研究成果已经展示了光子与晶格声子可控耦合的可能性，比如人们已经利用金刚石中的光学声子模式来实现量子纠缠和量子模拟。

　　最近，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员张俊课题组和新加坡南洋理工大学教授熊启华合作，利用声子-激子的强耦合下光对纵光学（LO）声子产生的Fröhlich作用力，在半导体ZnTe 纳米带中实现了单个纵光学（LO）声子的可分辨边带拉曼冷却和加热。他们的结果证明了在激子-声子强耦合下，完全可以实现对半导体中单个光学声子态的光学操控。在他们的实验中，LO 声子的频率约7 THz，即使在室温下，LO 声子已经接近量子基态，因此通过将LO 声子和光子进行强耦合，可为实现室温环境下固体量子信息和量子计算提供一个非常简单的平台。该研究工作最近发表在《自然-光子学》（Nature Photonics 10, 600–605 （2016）) 上，这一工作不但对于基于声子的固体量子调控和量子计算有着重要的意义，而且对于实现THz频率声子激光器和固体材料的拉曼冷却提供了可能。同一期《自然-光子学》在News & View中对该工作进行了报道（Nature Photonics 10, 566–567 （2016））。

　　张俊是该论文的第一作者和共同通讯作者，该工作得到了中组部青年千人计划、国家自然科学基金委、国家重点研发项目和中科院卢嘉锡国际团队的大力支持。