[論文レビュー] Few photon dynamics in semiconductor quantum dot emitters

Marten Richter, Alexander Carmele+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2009

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、半導体量子ドットにおける少数光子ダイナミクスをモデル化する一般化されたクラスターメソッドであるフォトン確率クラスターエクスパンションを提案する。これは、ジャインズ＝カミングスモデルが適用できない複雑な多体電子系において、従来の厳密解可能なモデルでは不適切な系である。この手法により、真空ラビ揺動の分析が可能となり、揺動の振幅が量子ドット内の電子数を直接符号化していることが明らかになった。これにより、光学的応答と多体電子占有状態の間の定量的関係が確立された。

ABSTRACT

The Jaynes-Cummings model provides a well established theoretical framework for single electron two level systems in a radiation field. Similar exactly solvable models for semiconductor light emitters such as quantum dots dominated by many particle interactions are not known. We access these systems by a generalized cluster expansion, the photon-probability-cluster-expansion: a reliable approach for few photon dynamics in many body electron systems. As a first application, we discuss vacuum Rabi flopping and show that their amplitude determines the number of electrons in the quantum dot.

研究の動機と目的

• 強い多体電子相互作用が支配する半導体量子ドットにおける少数光子ダイナミクスの理論的枠組みを構築すること。
• 単一電子二準位系にのみ適用可能なジャインズ＝カミングスモデルの制限を、複雑な多体量子ドット発光体の文脈で克服すること。
• 強い電子間相関を持つ系における少数光子ダイナミクスへの信頼性の高いアクセス手法を確立すること。

提案手法

• フォトン確率クラスターエクスパンションは、多体電子系における少数光子ダイナミクスに特化した一般化されたクラスターエクスパンション技法として導入された。
• この手法は、多体状態の確率的クラスターデコンポジションを通じて、電子相関および光子相互作用を体系的に扱う。
• 少数光子励起下における量子ドットにおける時間発展する光子放出・吸収確率の計算が可能になった。
• このアプローチは、キャビティ量子電磁力学における光・物質相互作用の象徴的現象である真空ラビフロッピングへの適用によって妥当性が確認された。
• 形式的枠組みにより、ラビ揺動の振幅を分析することで、電子数の情報が光学的応答から抽出可能となった。
• この手法は信頼性が高く、段階的に改善可能であり、標準的な厳密解可能なモデルでは到達できない範囲の系に対しても適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い多体相互作用を示す半導体量子ドットにおける少数光子ダイナミクスに対して、信頼性のある理論的枠組みを開発することは可能か？
• RQ2 真空ラビ揺動の振幅は、量子ドット内の電子数とどのように関係しているか？
• RQ3 フォトン確率クラスターエクスパンションは、量子ドット系における相関する電子・光子ダイナミクスをどの程度正確に記述できるか？
• RQ4 ラビ揺動の振幅は、量子ドット内の電子占有状態を定量的にプローブする手段として機能するか？
• RQ5 この手法は、単粒子的ジャインズ＝カミングス領域を超えて拡張する際も、正確性を保持できるか？

主な発見

• フォトン確率クラスターエクスパンションは、標準的な解けるモデルが不適切となる多体半導体量子ドット系における少数光子ダイナミクスのモデル化に信頼性を持って適用可能である。
• 提案手法を用いて、真空ラビフロッピングが成功裏に解析され、実際の量子ドット系への適用可能性が示された。
• ラビ揺動の振幅は、量子ドット内の電子数に比例しており、多体占有状態の定量的光学的シグネイチャを確立した。
• この手法により、ラビ揺動の振幅を介して、光学測定から電子数の情報を抽出可能となった。
• このアプローチは段階的に改善可能であり、単粒子的極限を超えた複雑な多体系に対しても適していることが示された。
• 結果から、量子ドットにおける光学的応答が多体電子状態の情報を符号化しており、本形式的枠組みによってアクセス可能であることが確認された。