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量子点与三旋理论
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（一）
量子计算机是以量子态作为信息的载体，人们已提出用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋以及超导体中的库柏对等物理系统作为量子比特的方案，这使量子行为中的自旋与经典物理中的自旋的类比联系更紧密，从而为科学的发展提供了又一个机遇。这是因为量子自旋揭示出经典物理概念天生的不足，从而为非引入三旋概念莫属。而要认识三旋，首先要了解“自旋电子”的应用与研究。
电子不仅具有电荷自由度，也具有自旋自由度。尽管人类在上个世纪二十年代就发现电子具有自旋，但是如何将这一自由度和半导体微电子工艺相结合，做成可供信息存储和数据传输的量子器件还是物理学界最近几年才出现的研究热点。随着计算机芯片性能的不断提高和尺寸的逐渐减小，计算机将进入量子阶段。低维半导体材料，特别是量子点系统是目前广泛研究的对象。但是，由于量子限制效应带来的库伦碰撞和电-声耦合作用的增强，其电荷自由度的量子相干性很容易被耗掉。相反，其自旋自由度特别是核自旋的退相干时间却变得很长。自从量子纠错编码被发现以后，固体物理学界的研究人员们就一直希望利用半导体介观系统的自旋自由度来实现最终的量子计算机。
中国科学院物理研究所量子结构中心的张平、王玉鹏、薛其坤、谢心澄等研究人员从理论上构造了一个相互作用量子点模型，从而深话了量子点中的电子关联相互作用和自旋翻转散射对自旋隧穿输运影响的研究。该模型中含有两个自旋简并局域能级的量子点和外部铁磁体通过隧穿相互作用耦合在一起。他们的计算结果表明，利用两个铁磁电极的内部磁化，可以系统地控制kondo共振和关联导致的自旋能级劈裂。其直接的结果是，当铁磁电极的磁化方向平行排列时，线性电导谱中会出现两个自旋分离的共振峰，这种全新的自旋阀效应是由强关联和外部磁耦合的共同作用造成的。他们还考虑了量子点内的自旋磁豫效应对自旋输运的影响。结果表明，一方面自旋磁豫对自旋劈裂和自旋阀效应起破坏作用；另一方面，自旋磁豫为kondo效应提供了新的共振通道，表现在局域态密度出现了三个kondo共振峰，与通常的塞曼效应完全不同，它是外部磁耦合带来的新物理效应。 而量子点激光技术是通过所谓的量子点，即纳米尺径的晶体粒子来实现产生超高频脉冲的。与利用传统的半导体激光技术相比，新技术具有更经济、耗电小且运行稳定等优点。在德国柏林技术大学固体物理研究所，迪特尔·宾贝格教授带领的科研小组，利用量子点激光技术在实验中达到了每秒产生200亿次脉冲的速度，也就是20ｇｈｚ的数据传输率，创造了数据传输的世界纪录。该实验的成功，将为今后通过光纤网络在全球范围内实现数据的高速传输提供了可能。与此同时，中国科学院物理研究所王恩哥研究小组和意大利ｇｅｎｏｖａ大学、美国橡树林国家实验室的研究人员，共同发现了沉积的原子在生长中可以向上扩散，即原子可以从表面扩散到岛上去爬一种新的量子点形成机制。王恩哥等人在铝表面的同质外延生长中，首次在实验和理论上直接证明了这一原子的向上扩散运动。他们首先观察到在这一生长体系中，大的量子点和小的原子岛并存。系统的研究发现这些具有特定小面的量子点是亚稳定的，它们只能在一个特殊的生长温度区域内，并只有当薄膜厚度超过一定值之后才能发生。这是用现有的生长理论所无法理解的。他们利用深入的密度泛函理论计算揭开了这个谜，即在这个生长过程中存在一个原子“真正”向上的扩散运动。这是因为在这个体系中，原子沿台阶边缘和跨越内角的向上扩散运动对应的势垒在一些情况下是负的。
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