[論文レビュー] Linewidth of single photons from a single quantum dot: key role of nuclear spins

Andreas V. Kuhlmann, Jonathan H. Prechtel+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、InGaAs量子ドットからの単一光子における非一様なフォトン線幅の拡大の主因として核スピンノイズを特定し、共鳴レーザー励起が特に電荷を帯びた励起子においてこのノイズを抑制できることを示している。その結果、外部磁場がなくても変換制限線幅に達することが可能になる。この発見は、単一光子源の性能を制限する主要なメカニズムを明らかにし、核スピンの光学的制御によって量子限界発光に到達する道筋を示している。

ABSTRACT

Department Physik, Universitat Paderborn,Warburger Strasse 100, D-33098 Paderborn, Germany(Dated: July 29, 2013)A semiconductor quantum dot mimics a two-level atom. Performance as a single photonsource is limited by decoherence and dephasing of the optical transition. Even with highquality material at low temperature, the optical linewidths are a factor of two larger thanthe transform limit. It is shown here that the inhomogeneous contribution to the linewidth iscaused by nuclear spin noise. This conclusion applies to both neutral and charged excitons.For the neutral exciton, we demonstrate an increase in the spin noise with increasing resonantlaser power. Conversely for the charged exciton, we demonstrate a signi cant decrease inthe spin noise with resonant laser power even without an external magnetic eld. This noisereduction is exploited to demonstrate transform-limited optical linewidths even when the

研究の動機と目的

• 半導体量子ドットからの単一光子における非一様な線幅拡大の原因を特定すること。
• 量子ドットにおける光学遷移の位相崩壊およびデコherenceに寄与する核スピンの役割を調査すること。
• 共鳴レーザー励起が核スピンノイズをどのように制御できるか、および光子のコherenに与える影響を検討すること。
• 外部磁場が存在しない状況でも変換制限線幅が達成可能かどうかを特定すること。
• 中性および電荷を帯びた励起子におけるレーザー出力の影響を比較すること。

提案手法

• 低温下で単一InGaAs量子ドットに共鳴レーザーを照射し、光学線幅を測定した。
• 変化するレーザー出力下で中性および電荷を帯びた励起子からの発光の非一様線幅を測定した。
• 時間分解光励起分光法を用いて、コherenおよび位相崩壊ダイナミクスを評価した。
• 線幅が共鳴レーザー出力にどのように依存するかを分析し、核スピンノイズの寄与を推定した。
• 中性および電荷を帯びた励起子における線幅の挙動を比較することで、スピンノイズ効果を分離した。
• 測定された線幅と変換限界を比較することで、変換制限線幅の達成を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ドットからの単一光子における光学線幅の非一様拡大の原因は何か。特に変換限界に近づく場合に注目する。
• RQ2 共鳴レーザー励起は中性および電荷を帯びた励起子における核スピンノイズにどのように影響を与えるか。
• RQ3 光学ポンピングによる核スピンノイズの抑制が、量子ドットにおける変換制限発光を実現可能にするか。
• RQ4 なぜ電荷を帯びた励起子ではレーザー出力の増加に伴いスピンノイズが減少するのに対し、中性励起子ではそのような傾向が見られないのか。
• RQ5 外部磁場を適用しない状況でも量子限界線幅を達成することは可能か。

主な発見

• 核スピンノイズが、InGaAs量子ドットからの単一光子における非一様な線幅拡大の主因であると特定された。
• 中性励起子では、共鳴レーザー出力の増加に伴いスピンノイズが顕著に増加しており、核スピンフラクチュエーションの増幅を示している。
• 電荷を帯びた励起子では、外部磁場がなくても共鳴レーザー出力の増加に伴いスピンノイズが顕著に減少した。
• このレーザー誘発ノイズ抑制により、電荷を帯びた励起子系で変換制限線幅が達成された。
• 結果から、量子ドットを基盤とする単一光子源におけるデコherence制限を、核スピンの光学的制御によって克服できることが示された。
• 中性および電荷を帯びた励起子におけるスピンノイズ応答の顕著な違いが明らかになった。これは、電荷状態が核スピンダイナミクスに与える役割を強調している。