通过控制荷电状态阐释CdSe胶体量子点中 两个拉莫尔进动频率的起源

半导体量子点中局域的电子自旋态有利于固态量子信息处理。室温下，胶体量子点系综具有相对较长的自旋相干寿命。相比于分子束外延量子点，胶体量子点制备价格更加廉价，形状、尺寸和结构更加容易控制。胶体量子点较大的比表面积对其光电性质有着巨大的影响，在过去的研究中也暗示着量子点表面状态会对其中电子自旋的性质有影响，但是目前还远没有系统的研究这一问题。CdSe胶体量子点的电子自旋相干动力学通常存在两个拉莫尔进动频率。该现象早在1999年就被发现，之前的研究认为两个不同的拉莫尔进动频率分别起源于电子自旋和激子自旋，但这两个进动频率的起源迄今仍没有定论。

最近实验室的固态体系自旋调控研究小组利用超短激光脉冲泵浦-探测技术测量其自旋动力学，结合化学处理方法，即通过添加空穴俘获剂或者电子俘获剂有机分子，或者添加无机壳层包裹量子点修饰量子点表面来控制CdSe胶体量子点的电荷分离，重新探讨这两个自旋频率的起源。利用该技术，研究了一系列不同尺寸的CdSe胶体量子点的自旋动力学并分析了其对应的自旋进动频率，实验结果表明胶体CdSe量子点普遍具有两个自旋进动频率，即对应两个自旋g因子值。这些g因子值是与量子点尺寸有关 ，但与实验温度和测量波长无关。对比研究包裹无机壳层的CdSe/ZnS和原装CdSe胶体量子点的自旋动力学，核壳结构CdSe/ZnS量子点中两个自旋频率的信号都非常弱，排除了两个自旋进动频率起源于激子自旋的可能。额外添加一束预泵浦脉冲光，更小的自旋进动频率显著增强，改变预泵浦光和泵浦光之间的延时时间，得到更小自旋进动频率对应的光致荷电态寿命可以达到几百微秒。另外，添加不同种类的俘获剂将选择性地增强两个自旋频率其中之一的信号，这些现象表明，两个自旋频率都不可能来自于激子自旋，只能是带电量子点中的电子自旋。进一步分析表明，量子点中存在两类电子，一类电子只受量子点限域势的作用，其自旋频率值较小；而另一类电子除了量子点限域势，还额外的局域在量子点表面附近，导致其自旋频率值较大。

该项研究解决了存在已久的CdSe胶体量子点自旋相干动力学中两个自旋进动频率起源的问题。与中性量子点相比，光致荷电的量子点中的自旋相干时间大大延长。清楚的理解两个自旋进动频率的起源有助于控制和利用胶体量子点来实现量子信息处理 。相关研究成果发表在 Journal of Physical Chemistry Letters 10, 3681-3687 (2019)。

图1. 原装CdSe胶体量子点自旋信号。上插图：CdSe胶体量子点中电子波函数分别示意图。下插图：自旋信号对应的快速傅立叶变换谱。