[00149075]自旋相关系统的量子输运与量子测量研究

传统的电子器件将电荷作为能量和信息传输的载体,却一直忽略了自旋自由度。随着电子器件尺寸的不断减小并进入微观尺度范围,许多宏观特性将会丧失,自旋自由度的重要性逐渐凸显。由于自旋体系具有更长的退相干时间,更低的能耗等一系列重要优势,它被认为是未来构建量子比特基本单元的理想载体。因此,如何将自旋自由度与材料制备技术和超微细加工技术相结合,制造可供信息存储和数据传输的量子器件（即自旋电子学）,是最近几年量子物理与信息科学的交叉与融合研究的重点。其中,低维半导体材料,以及超导和波色-爱因斯坦凝聚体中的类自旋体系,由于具有良好的自旋相干性和可集成性,具有诱人的器件应用价值,已成为实验和理论研究重点关注的量子系统。如何在这些系统中有效地刻画、理解和揭示各种自旋相关的输运和测量机制,对量子器件的设计、实现和控制至关重要。本团队在国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助下,通过多年的通力合作,在自旋以及相关体系中的量子输运和量子测量等方面进行了较为系统和深入的研究,主要的科学发现有： （1）针对自旋输运问题,发展了自旋分辨的量子主方程,建立了自旋分辨的全计数统计理论,为研究自旋输运特性的研究奠定了普适的理论框架。较为系统地开展了耦合双量子点体系中自旋分辨的全计数统计特性研究,分析了高阶涨落特性和不同自旋分量流的交叉关联,考察了系统环境耦合引起的能量重整化对自旋输运特性的影响,确定了自旋高阶涨落关联与自旋量子比特退相干和驰豫等相关物理机制之间的关系,从而为深入了解自旋动力学和输运机制提供了一个新的独特的视角。此外,自旋量子比特的测量在量子信息处理中的基本应用起着至关重要的作用。迄今为止,实验和理论主要集中在量子点接触和单量子点晶体管等测量仪器,但是他们均需满足一个非常苛刻的条件,即非常低的温度。我们开创性地提出了耦合双量子点体系连续测量自旋量子比特的方案,它不仅能够在较高温度下工作,而且左右电极可以同时监测量子比特,使得两个电极中不共存的任何噪声都能被滤除,理论上达到了零背底噪声,从而为实验上验证和实现量子极限测量提供了重要的依据和方案。 （2）在旋量凝聚体中的量子度量方面,利用原子内部的自旋性质,结合目前实验上对原子间的相互作用以及磁场的大小,本课题组发现自旋混合动力学过程中会产生高强度的自旋-晶列压缩态,而这结果与目前实验上的结果非常吻合,这为提高量子测量精度的研究提供了很好的资源。同时发现利用周期脉冲的方法可以长时间的存储高强度的压缩态,这种脉冲的方法对于抵抗外界退相干的影响也非常的有效,从而有效的保护了量子态受外界环境的影响。另外研究了该系统的基态中的原子涨落问题,发现量子涨落在不同的相位中呈现出截然不同的量子现象,而量子涨落与量子测量存在密切的关系,这些研究推动了旋量凝聚体中的量子测量研究的发展。