Probing fluctuations in photon emission statistics of spin injected quantum dots with time dependent electronic excitation

通常人们认为光是一股由微小、独立的粒子组成的流。然而，在量子世界中，这些被称为“光子”的光粒子可以表现出违背我们日常直觉的行为。科学家们长期以来一直试图制造出每次仅发射一个光子的设备，这种能力对于下一代超安全通信和强大的计算至关重要。传统上，制造这些单光子源需要将强激光照射在微小晶体上以触发发射。虽然这种方法很有效，但它依赖于笨重的外部设备和光学触发器，难以集成到驱动现代电子设备的微型、电驱动芯片中。研究人员一直致力于用简单的电流取代激光，希望能够构建一种可以通过一根导线实现开关控制的光源，就像标准的灯泡一样。

挑战在于电流是“混乱”的。与精确的激光脉冲不同，电信号涉及电子的混乱涌动，这很难控制。当这些电子撞击被称为量子点的微小半导体结构时，它们可以产生光，但发射光子的定时和数量可能会发生剧烈波动。来自布法罗大学及其国际合作者的最新研究，深入探讨了这些电学波动究竟是如何影响光的。他们专注于一种特定的量子点，这种量子点可以注入具有相同自旋（即电子具有特定磁取向的属性）的电子。通过控制这种自旋，团队发现他们不仅可以决定光的颜色旋转（偏振），还能揭示出光子释放过程中一种令人惊讶的、隐藏的节奏。

这项研究的核心设备是一个微观的“三明治”材料结构。其核心是一个由量子点组成的层，这些量子点是嵌入半导体结构中的铟镓砷纳米级晶体。在其上方是一个由钴、铁、硼组成的特殊磁性层，并通过一层薄薄的氧化镁屏障与量子点隔开。当研究人员向该器件施加电压脉冲时，电子被迫穿过屏障进入量子点。由于磁性层的存在，这些电子到达时其自旋方向是整齐一致的。当电子在量子点中沉降并与空穴复合时，它们会发射光子。电子自旋的对齐确保了发射的光是圆偏振的，这意味着光波在传播时会像螺旋钉一样旋转。

为了观察这个微型机器内部发生了什么，团队并没有仅仅测量总光量。相反，他们构建了一个能够精确计数同时到达了多少个光子的精密检测系统。他们使用了一个拥有四个灵敏探测器的装置，用于捕捉可能成对甚至成三路到达的光子。通过以极高的精度为每一个光子的到达时间打上标签，他们可以逐秒重建光发射的故事。他们在磁层完全磁化（从而产生一股自旋对齐的电子流）的情况下进行了实验，然后在磁性被扰乱（导致电子以随机自旋到达）后重复了实验。

结果显示，两种条件下存在显著差异。当电子自旋对齐时，单光子的发射紧随电脉冲平稳运行，随预期上升和下降。然而，两个光子同时发射的情况却讲述了另一个故事。研究人员观察到两光子事件的定时出现了明显的波动。这些波动出现在电脉冲内的特定时刻，形成了一种与单光子的平滑曲线不匹配的锯齿状、不规则模式。至关重要的是，当磁层去磁且自旋对齐被移除后，这些波动消失了。两光子发射变得平滑且可预测，镜像了单光子的行为。这种直接联系证明，这些混沌的波动并非由电噪声本身引起，而是电子共享自旋取向的直接后果。

为了理解为什么会发生这种情况，研究人员求助于计算机模拟。他们并没有将量子点视为单一实体，而是将其建模为一组可以相互影响的微小发射体。他们的模型表明，当电子自旋对齐时，量子点开始以一种协调的方式运作，这种现象被称为“协作发射”。在这种状态下，量子点不仅仅是在独立地发射光，它们似乎通过某种方式联系在一起，导致它们同时释放成对的光子，这种爆发打破了标准电噪声的随机定时。包含这种协作行为数学描述的模拟成功重现了实验中观察到的锯齿状波动。如果没有模型中的这种协作联系，模拟产生的将是平滑曲线，就像去磁实验中的情况一样。

这项研究证实，自旋注入不仅能控制光的偏振，还从根本上改变了发射的统计特性。研究人员发现，自旋对齐的存在引入了一种新的动态机制，使系统可以发射更高阶的光态（如光子对），并带有独特的、波动的定时特征。这种行为是在一个量子点系综中观察到的，其中平均自旋极化度约为 21%，量子点密度约为每平方波长 11 个。团队使用了 20 纳秒的脉冲宽度，并配备了可调节的上升和下降时间，以探测这些动态过程。他们收集了数亿个单光子事件和数万个两光子事件，以确保数据的统计稳健性。

这项工作表明，电驱动量子光源的内部动态比此前认为的更为复杂。观察到的波动不仅仅是要被消除的噪声，而是发射体之间深层相互作用的特征，这种相互作用是由注入载流子的自旋驱动的。虽然允许这些量子点进行通信并共同坍缩的微观机制仍有待未来研究，但证据指向了一个由自旋促成的协作过程。这些发现为设计受自旋控制的量子光源开辟了一条新路径，有望生成不仅是单光子，还有可靠的多光子流。通过理解并利用这些受自旋控制的波动，科学家们未来或许能制造出更小、更快、且能更好地集成到未来电子电路中的量子设备。