[論文レビュー] Mesoscopic cavity-QED: the physics behind off-resonant cavity excitation by a single quantum dot

Martin Winger, Thomas Volz+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2009

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、単一の量子ドットがキャビティの共鳴から大きくずれた状態であっても強いキャビティ発光を示すという直感に反する観察を、ミクロ的量子ドット閉じ込めが準連続状態の遷移を生成することにより解明している。この準連続状態の遷移はキャビティモードによって集団的に増幅され、固体系キャビティ-QEDにおける長年の実験的パラドックスである、キャビティ周波数での相関のない光子放出を完全に説明している。

ABSTRACT

Cavity quantum-electrodynamics experiments using an atom coupled to a single radiation-field mode have played a central role in testing foundations of quantum mechanics, thus motivating solid-state implementations using single quantum dots coupled to monolithic nano-cavities. In stark contrast to their atom based counterparts, the latter experiments revealed strong cavity emission, even when the quantum dot is far off resonance. Here we present experimental and theoretical results demonstrating that this effect arises from the mesoscopic nature of quantum dot confinement, ensuring the presence of a quasi-continuum of transitions between excited quantum dot states that are enhanced by the cavity mode. Our model fully explains photon correlation measurements demonstrating that photons emitted at the cavity frequency are essentially uncorrelated with each other even though they are generated by a single quantum dot.

研究の動機と目的

• キャビティ共鳴から大きくずれた状態にあっても強いキャビティ発光を示す単一量子ドットの実験的観察を説明すること。
• 固体系キャビティ-QED系におけるこの増幅発光の物理的起源を、原子系の対応物と対比して特定すること。
• 単一量子ドットからの光源であるにもかかわらず観測された相関のない光子放出を、ミクロ的多体モデルを用いて整合化すること。
• 共鳴から離れた励起領域における光子相関測定を説明する理論的枠組みを構築すること。

提案手法

• ミクロ的閉じ込め効果が準連続状態の励起状態を生成することに注目した、量子ドットの電子構造の理論的モデリング。
• モノリシックナノキャビティ内の単一光子モードに結合する単一量子ドットに対するキャビティ-QED形式主義の適用。
• 準連続状態の遷移を組み込んだ、光子放出および相関のダイナミクスを記述するマスター方程式の使用。
• 実験測定と比較するための光子相関関数（g²(τ)）の数値シミュレーション。
• ミクロ的状態密度の影響による遷移行列要素の集団的増幅の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ単一量子ドットはキャビティ共鳴から大きくずれた状態であっても強いキャビティ発光を示すのか？
• RQ2 ドットが共鳴から離れているにもかかわらず、なぜキャビティ周波数での光子放出が可能なのか？
• RQ3 g²(τ)測定によって示されるように、単一量子ドットから発せられる光子がなぜ相関のない状態に見えるのか？
• RQ4 量子ドット閉じ込めのミクロ的性質が、キャビティ-QED結合にどの程度影響を及ぼすのか？

主な発見

• 量子ドットのミクロ的閉じ込めは、電子遷移の準連続状態を生じさせ、これがキャビティモードへの結合を集団的に増幅する。
• この集団的増幅が、標準的な共鳴結合の期待とは対照的に、大きなデチューニング下でも強いキャビティ発光を説明する。
• モデルは実験的に観測された光子相関関数をうまく再現し、g²(0) ≈ 1 であることを示しており、相関のない発光を示している。
• 相関のない光子の起源は、準連続状態からの多数の独立した遷移の非干渉的重ね合わせであり、単一の放射遷移チャネルとは異なる。