[論文レビュー] Long-Distance Coupling and Energy Transfer between Exciton States in Magnetically Controlled Microcavities

Maciej Ściesiek, Krzysztof Sawicki+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 64被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、極性子を介した結合を用いて、2.15 µm 離れた励起子状態間で磁場で制御可能な長距離エネルギー移動を実現した。磁場を調整することで、マンガンドープ量子井戸内の励起子のエネルギーが非磁性井戸と相対的にシフトし、4準位の極性子系における強い光・物質結合を通じて、エネルギー移動の方向を逆転可能に制御できる。

ABSTRACT

Coupling of quantum emitters in a semiconductor relies, generally, on short-range dipole-dipole or electronic exchange type interactions. Consistently, energy transfer between exciton states, that is, electron-hole pairs bound by Coulomb interaction, is limited to distances of the order of 10~nm. Here, we demonstrate polariton-mediated coupling and energy transfer between excitonic states over a distance exceeding 2~$\mu$m. We accomplish this by coupling quantum well-confined excitons through the delocalized mode of two coupled optical microcavities. Use of magnetically doped quantum wells enables us to tune the confined exciton energy by the magnetic field and in this way to control the spatial direction of the transfer. Such controlled, long-distance interaction between coherently coupled quantum emitters opens possibilities of a scalable implementation of quantum networks and quantum simulators based on solid-state, multi-cavity systems.

研究の動機と目的

• 空間的に分離した励起子状態間でのエネルギー移動を、10 nm の Förster 限界を超えて実現すること。
• 外部磁場を用いてエネルギー移動の方向を制御すること。
• 結合したマイクロカビティを用いて、スケーラブルな固体状態プラットフォームとしての量子シミュレーターやネットワークを実現すること。
• 4準位のハイブリッド系における拡散化光子モードを介した極性子を介した結合を活用すること。

提案手法

• 半透明のブレグミラーで2つのマイクロカビティに分離された二重結合マイクロカビティ構造を用いた。
• 励起子エネルギーの磁場チューニングを可能にするために、非磁性 (Cd,Zn)Te および半磁性 (Cd,Mn,Zn)Te 量子井戸を組み込んだ。
• 強い光・物質結合を用いて、励起子と拡散化されたキャビティモードを含む4準位の極性子系を形成した。
• ファラデー幾何学における磁場を用いて、マンガンドープ井戸内のゼーマン分裂をチューニングし、励起子エネルギーを非磁性井戸と相対的にシフトさせた。
• 磁場および面内運動量を関数として光励起分光スペクトルを測定し、極性子分散およびエネルギー移動をマップした。
• ハイブリッド化系を記述し、ホープリッジ係数を計算するために4オシレーター ハミルトニアンモデル（式 1）を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極性子を介した結合を用いることで、励起子状態間のエネルギー移動を10 nm の Förster 限界を超えて延長できるか？
• RQ2 空間的に分離した量子井戸間のエネルギー移動方向を外部磁場で逆転可能に制御できるか？
• RQ3 固体状態マイクロカビティ系において、コherentエネルギー移動の空間的範囲をどの程度拡大できるか？
• RQ4 励起子状態と光子状態のハイブリダイゼーションが、4準位の極性子系における長距離結合をどのように可能にするか？

主な発見

• 励起子状態間のエネルギー移動が 2.15 µm の距離で実現され、通常の 10 nm の Förster 限界を2桁以上超えていた。
• 磁場チューニングによりエネルギー移動の方向を逆転可能に制御した：Bcrit未満では非磁性井戸からマンガンドープ井戸へ、Bcritを超えると逆方向に移動した。
• 光励起分光マップから明確な反交差およびモードハイブリダイゼーションが観察され、強い結合および4準位の極性子系の形成が確認された。
• ホープリッジ係数解析により、低磁場領域では最低エネルギー極性子状態（準位1）が非磁性量子井戸の寄与が支配的であり、高磁場領域ではマンガンドープ井戸にシフトした。
• 発光の強度および偏光依存性から、高効率で逆転可能かつ磁場に依存するエネルギー移動が実現されたことが示された。
• 4オシレーター ハミルトニアンモデルを用いた理論的モデリングにより、磁場に伴う分散およびエネルギー準位の変化を正確に再現できた。