[科普中国]-自旋相干

自旋相干指在初始时刻系统中所有电子的状态（如自旋、轨道、动量）是一致的，随着时间增长，所有电子的状态保持一致变化的过程。经过一段时间，相干态将退化，该时间称为退相干时间或驰豫时间。

背景“相干”一词最早来源于量子光学（例如相干箱射）。早在1926年，量子力学建立之初，SchrMnger研究量子态的过程中，发现谐振子位置算符在相干态上的平均值随时间的演化与经典运动非常的相似。然而，在Schrodinger工作之后的30多年里，关于谐振子这个领域的研巧一直没有新的进展。直到I960年，Klauder，Glauber和Sudarshan再次提出相干态的概念。从那时起，相干态就被广泛地应用到量子物理和数学方法中，例如核物理，原子物理，凝聚态物理和量子场论，量子信息等。随后他们又相维构造了谐振子涯灭算符和产生算符的本征态，目的是研究量子光学中非常重要的课题一电磁场关联函数。几乎同时，Glauber、Sudarshan和Klauder还发展了一套可以用任意Lie群表示的相干态。这样相干态就不再受限于谐振子，可广泛地应用到所有的物理问题。

自旋相干态简介所谓相干态是指在初始时刻系统中所有电子的状态（如自旋、轨道、动量）是一致的，随着时间增长，所有电子的状态保持一致的变化。经过一段时间，相干态将退化，该时间称为退相干时间或驰豫时间。

过去很多年，未计入自旋量的电子相干态已经被广泛研究。通常用强激光脉冲在半导体中产生电子相干态，随时间增长，相干态演化过程逐次为最早的相干阶段，即无碰撞过程（但可以出现Rabi跃迁）；其次为位相弛豫阶段，由电子-缺陷或电子-电子散射过程决定；最后进入准热平衡阶段，由电子-声子散射过程造成。检测方法可用探测光速瞬态吸收光谱。1

自旋相干动力学自旋电子器件是利用半导体及其量子阱结构中的电子自旋自由度的极化态作为信息载体和逻辑位的电子器件。因此，自旋电子器件具有低功耗、低热耗散和速度快等独特优点，被认为在下一代半导体纳米电子器件集成制造中具有广阔的应用前景。然而，自旋电子器件的实现还有很长的路要走，原因在于自旋光开关等自旋电子器件要求自旋弛豫时间足够短，而量子信息存储与计算则要求自旋极化保持的时间足够长，因此，半导体中电子自旋弛豫和自旋相干弛豫动力学及其随材料结构、环境因素的变化研究成为国际上一个活跃的研究领域。

滕利华等2研究了9. 6K低温下、本征GaAs高过超能量态电子自旋相干动力学的浓度依赖，发现当光子能量为1.57 eV，载流子浓度增大至时电子自旋相干量子拍的相位翻转180度。理论计算表明量子拍的相位翻转为区分轻、重空穴系统提供了重要依据，当载流子浓度大于时，量子拍的振幅主要起源于重空穴价带一导带跃迁，当载流子浓度小于时，量子拍的振幅主要起源于轻空穴价带一导带跃迁。因而，分别在轻空穴价带一导带系统和重空穴价带一导带系统实验测量电子自旋相干动力学成为可能，实验数据表明在轻空穴价带一导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间明显大于在重空穴价带一导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间。2

固态系统自旋相干要利用固态系统电子自旋的量子相干性，首先必须解决的一个问题就是由于与环境的耦合干扰而产生的自旋消相干。动力学解耦就是利用频闪的自旋反转与环境的平均耦合, 其效果相当于与零耦合。这是对抗消相干的一种特别有希望的策略，因为它可以很自然地与其他要实现的功能集成起来，如量子门。每个自旋反转中难免会有错误发生，所以理想的情况是，用于实现给定精度水平动态解耦的控制脉冲数达到最小化。这种最优动态解耦序列已经被发现。中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室杜江峰研究小组和香港中文大学刘仁保小组合作，利用脉冲电子顺磁共振技术，在 50K 到室温条件下从实验上演示了利用最优动态解耦保持受激丙二酸晶体的电子自旋相干性。用 7 个脉冲的最优动态解耦序列，将自旋相干时间延长到近 30µs。而如果不加脉冲控制，这个时间将是 0.04µs，如果用一个脉冲控制，则是 6.2 µs。通过与微观理论下的实验比较, 研究人员找到了固态系统中相关电子自旋消相干的机制。最优动态解耦也可以应用于其他固态系统，如氮空穴中心的金刚石，因此，它为室温下固态系统自旋量子相干控制奠定了基础。3

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学