2-1 理論與研究方向
1935 年，薛丁格提出著名的想像實驗「薛丁格的貓」：假想有一個鋼室，
放進一隻活貓。而鋼室中有一個裝置，含有一粒放射性物質，在一小時內有二 分之一機會放出一粒電子。如有電子放出，就會觸動機關放出毒氣將貓毒死。
現在將鋼室關閉，一小時後打開，觀察貓之死活。
如果將足夠數量的相同裝置，皆放進一隻相同之薛丁格的貓，或在同一個 可逆的裝置內，不同的時間重新放入一隻薛丁格的貓。貓活下來的機率和死去 的機率將極為趨近(甚至相等)。藉由偵測量子點內載子在結合所散射之螢光來 研究載子自旋的機制，就是在想像實驗的理論基礎上，以足夠數量相近的裝置 (量子點)，設計出帶有角動量資訊之光子激發樣品，使量子點內電子、電洞自 旋總數不匹配。從電子、電洞分離到重新結合的時間過程，自旋向上與自旋向 下的載子數目比例不為定值，因此，選用脈衝雷射激發樣品，量測載子在時間 維度上的自旋機制，觀察帶有不同角動量資訊的光子，遵循量子世界的何種機 率法則。
由於在樣品的單位面積上，自組裝的量子點數目極大，因此，實驗數據所 呈現的是總體效應，由結構極為相近的量子點同時提供大量的自旋資訊。僅管 波爾(Niels Bohr)不相信上帝會和我們擲骰子，然而在人造原子(量子點)內，載
子自旋的行為確確實實符合了量子世界習慣將能階躍遷、能量轉移視為機率的 表現。
在同一個可逆裝置內不同的時間重新放入一隻薛丁格貓，與在足夠數量的 相同裝置皆放進一隻相同之薛丁格貓，結果是否相同？在想像實驗裡結果將會 如預期一般，但是實際的實驗設計裡，重複量測單量子點與量測量子點群，結 果可能與想像實驗迥異！這是由於在不破壞量子點結構情況下，針對單量子點 作時間性量測，可以趨近完美的求取相同系統中的數據，但在某一次的量測值 中，所彰顯的是載子行為在所有可能性裡的其中一種。。
在時間解析的實驗架構(本實驗室使用 upconversion)中，可以控制雷射脈衝 寬度、波長與入射功率，且基於樣品(單量子點)能階分佈極為明確，整個實驗 的設計對於能量誤差ΔE的降低極有幫助；但相對的提高了測不準原理
(uncertainty principle：
≥ 2 Δ
⋅
ΔE t )中的時間誤差項Δt。選用自組裝量子點
(self-assembled quantum dots)為樣品，在同時對量子點群作量測，省去費時的重 複性操作過程，並且避開量子點閃爍(QD blinking)的窘態。但也無可避免地，
在量子點群裡因量子點之間靠得極近，所量測之訊號受到相鄰的量子點所構成 的糾纏態(entanglement)所干擾。
量子點能階的分佈受到量子點幾何大小的影響甚巨，因此在選用樣品時對 於量子點群的大小必須嚴格要求，以防能量誤差值ΔE的提高。透過對不同樣品 的量測，可以逐步的了解各種半導體結構、材質中載子自旋的機制，並分析
spin-orbital interaction、spin-spin interaction、spin-lattice interaction、magnetic interaction……等作用的產生與持續時間。
2-2 發展階段
近來已有利用時間解析系統研究載子自旋弛豫的團隊，量測出電子在10K
的低溫下，於中性量子點(undoped QDs)內自旋弛豫時間大約在120ps；在80K下 自旋弛豫時間則大約在85ps[7]。以往的實驗樣品選用量子井為主，而近幾年來 由於量子點成長的技術趨於純熟，針對量子點的研究亦愈來愈多。
[6][7]
圖2-1 自旋極化率弛豫過程
為了規避聲子對自旋系統的擾動，實驗設計以低溫量測為主。吾人在室溫 下進行實驗，取得奈米結構中電子在溫度293K下自旋的相關行為機制。使用 up-conversion作時間解析，在系統極限(~150fs)的情況下，測量自旋極化率的弛 豫過程，有效探討前幾個ps內的載子行為。由數據的分析，可以發現1至2個ps 內自旋極化率快速弛豫的過程。若使用Streak Camera等時間解析度不夠高的量 測系統或設定掃描尺度不夠精細，將無法探知上述的現象。
因為磁性半導體中自旋載子的轉向所需的能量遠高於本實驗所使用的純半 導體奈米結構，所以在樣品中不摻雜磁性金屬。溫室下量測、不需強磁作用、
僅用光激發樣品，使實驗貼近應用層面提高樣品的實用價值。