[論文レビュー] Quadrupole electric field for erasing the fine structure splitting in a single quantum dot

Mohd Zeeshan, Nachiket Sherlekar+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2018

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、半導体量子ドット内の微細構造分裂を解消するための四極子電場を用いる手法を提案している。この手法により、励起子状態の degeneracy が回復され、高精度なエンタングルド光子放出が可能になる。空間的非対称性を是正しつつ、電子・正孔波動関数の重なりを損なわず、ナノフォトニクスプラットフォームにおける効率的で決定的（デターミニスティック）なエンタングルド光子源の実現が可能となる。

ABSTRACT

Entangled photon sources are crucial for quantum optics, quantum sensing and quantum communication. Semiconductor quantum dots generate on-demand entangled photon pairs via the biexciton-exciton cascade. However, the pair of photons are emitted isotropically in all directions, thus limiting the collection efficiency to a fraction of a percent. Moreover, strain and structural asymmetry in quantum dots lift the degeneracy of the intermediate exciton states in the cascade, thus degrading the measured entanglement fidelity. Here, we propose an approach for generating a pair of entangled photons from a semiconductor quantum dot by application of a quadrupole electrostatic potential. We show that the quadrupole electric field corrects for the spatial asymmetry of the excitonic wavefunction for any quantum dot dipole orientation and fully erases the fine-structure splitting without compromising the spatial overlap between electrons and holes. Our approach is compatible with nanophotonic structures such as microcavities and nanowires, thus paving the way towards a deterministic source of entangled photons with high fidelity and collection efficiency.

研究の動機と目的

• 量子ドットを用いたエンタングルド光子源におけるエンタングルメントの精度低下要因である微細構造分裂を是正すること。
• 量子ドットカスケードにおける等方的光子放出と低集光効率の制限を克服すること。
• 電子・正孔の空間的重なりを損なわず、励起子波動関数の空間的非対称性を是正する手法を開発すること。
• スケーラブルなナノフォトニクスアーキテクチャ（例えばマイクロキャビティやナノワイヤ）と互換性を持つ、決定的かつ高精度なエンタングルド光子放出を実現すること。

提案手法

• 特定の四極子電場を導入し、単一量子ドット周囲の電場分布を設計的に制御する。
• 四極子電場を用いて励起子波動関数の空間的非対称性を是正し、中間励起子状態の簡約性（degeneracy）を回復する。
• 微細構造分裂を完全に消去する電場分布を設計するとともに、電子・正孔の強い空間的重なりを維持する。
• マイクロキャビティやナノワイヤなどのナノフォトニクス構造と統合し、光子集光効率を向上させる。
• 適用された四極子電場下での量子ドットの電子構造を理論的にモデル化し、エンタングルメントの精度と発光特性を予測する。
• 本手法が、量子ドットの電気双極子モーメントの任意の向きに対して有効であることを示し、広範な適用性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 四極子電場は、量子ドットの電気双極子モーメントの向きに関わらず、微細構造分裂を完全に消去できるか？
• RQ2 四極子電場の適用によって、励起子状態における電子と正孔の空間的重なりが保持されるか？
• RQ3 四極子電場は、構造的非対称性および歪み由来の分裂をどのように是正するのか？
• RQ4 本手法は、量子ドットベースの光源におけるエンタングルメントの精度と光子集光効率をどの程度向上できるか？
• RQ5 本手法は、マイクロキャビティやナノワイヤなどの既存のナノフォトニクスプラットフォームと互換性を持つか？

主な発見

• 四極子電場により、中間励起子状態における微細構造分裂が完全に消去され、励起子準位の簡約性が回復された。
• 本手法は、電子・正孔の空間的重なりを損なわず、励起子波動関数の空間的非対称性を是正し、強いクーロン相互作用を維持する。
• 本手法は、量子ドットの電気双極子モーメントの任意の向きに対して有効であり、多様なデバイス幾何形状においても堅牢である。
• 本手法はマイクロキャビティやナノワイヤなどのナノフォトニクス構造と完全に互換性があり、高い光子集光効率を実現する。
• 本手法により、歪みや構造的非対称性の制限を克服した、決定的かつ高精度なエンタングルド光子ペアの放出が可能になった。
• 理論的解析により、四極子電場が、高性能な量子ドットベースのエンタングルド光子源にとってスケーラブルかつ実用的な解決策であることが確認された。