[論文レビュー] Quantum dynamics of single-photon detection using functionalized quantum transport electronic channels

Catalin D. Spataru, François Léonard|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2019

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 54被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、分子光子吸収体を備えた機能化された量子輸送チャネル（例：カーボンナノチューブ）を用いたナノスケール単一光子検出器を提案する。光子場、吸収、変換、測定を完全に結合された量子系として取り扱うことで、著者らは時間に依存する非平衡量子輸送シミュレーションを用いて、動的ストークス効果によるダイナミカルバックアクション制御を通じて、信号対雑音比（SNR）が約4.5で、カウントレートが最大約1 GHzに達する単一光子検出が可能であることを示した。

ABSTRACT

Single photon detectors have historically consisted of macroscopic-sized materials but recent experimental and theoretical progress suggests new approaches based on nanoscale and molecular electronics. Here we present a theoretical study of photodetection in a system composed of a quantum electronic transport channel functionalized by a photon absorber. Notably, the photon field, absorption process, transduction mechanism, and measurement process are all treated as part of one fully-coupled quantum system, with explicit interactions. Using non-equilibrium, time-dependent quantum transport simulations, we reveal the unique temporal signatures of the single photon detection process, and show that the system can be described using optical Bloch equations, with a new non-linearity as a consequence of time-dependent detuning caused by the backaction from the transport channel via the dynamical Stark effect. We compute the photodetector signal-to-noise ratio and demonstrate that single photon detection at high count rate is possible for realistic parameters by exploiting a novel non-equilibrium control of backaction.

研究の動機と目的

• 量子輸送チャネルに光子吸収体を機能化させたナノスケール電子系における単一光子検出の理論的枠組みを構築すること。
• 輸送チャネルに結合された光子吸収分子の連続的測定における量子バックアクションの課題に取り組むこと。
• 完全に量子力学的かつ非平衡状態の下で、高カウントレートおよび高信号対雑音比（SNR）を実現する高性能な単一光子検出を示すこと。
• 系のダイナミクスが、時間に依存するデチューニングに起因する新規な非線形性を有する修正された光学ブロッホ方程式で記述可能であることを示すこと。

提案手法

• Keldysh非平衡グリーン関数（NEGF）形式に基づく非平衡で時間に依存する量子輸送シミュレーションを用いて、光子吸収体と輸送チャネルの結合系をモデル化する。
• 実分子に代表されるタイトバインディングパラメータを用いて、二原子分子系としての吸収体をモデル化し、励起状態では永久双極子モーメントを有するとする。
• オーノパラメータライゼーションを用いて、吸収体と輸送チャネル間のクーロン相互作用を記述し、電荷移動を考慮しないことで、チャネルへの静電的バックアクションを記述する。
• 入射する単一光子コherent状態パルスを強力なフォーカス領域に設定し、吸収体の双極子モーメントと空間的・スペクトル的に整合させる。
• 輸送電流のバックアクションに起因する動的ストークスシフトに起因する時間に依存するデチューニング項を有する有効な光学ブロッホ方程式（OBE）を導出する。
• ランドアウアー透過率および電流ゆらぎ解析を用いて信号対雑音比（SNR）を計算し、非平衡効果に補正を加える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールで機能化された量子輸送チャネルは、高い忠実度と高いカウントレートで単一光子を検出可能か？
• RQ2 光子吸収分子と輸送チャネルが結合された光・物質系において、連続的電流測定による量子バックアクションは検出プロセスにどのように影響するか？
• RQ3 時間に依存するデチューニングに起因する非線形性を有する修正された光学ブロッホ方程式で、系のダイナミクスはどの程度正確に記述可能か？
• RQ4 実際のパラメータ条件下で、単一光子検出の実現可能な信号対雑音比（SNR）は何か？また、ギガヘルツレベルの動作を支持できるか？
• RQ5 ハートリー準位を越えた電子相関効果は、SNRおよび検出性能にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• 光子吸収、コherentlyな結合、バックアクションの相互作用に起因する、時間に依存するシミュレーションで捉えられる特徴的な電流応答の時間的シグネチャーが、系に現れる。
• 系のダイナミクスは、動的ストークス効果に起因する時間に依存するデチューニングに起因する新しい非線形性を有する光学ブロッホ方程式で良好に記述できる。
• N = 7のチャネルサイトと最適化されたパラメータを有する系では、信号対雑音比（SNR）が約4.5に達し、高忠実度検出が可能である。
• 最大約1 GHzのカウントレートでの単一光子検出が可能であり、これは励起状態の放射的寿命（τrad = 1 ns）に起因する自然なリセット時間に制限される。
• ハートリー準位を越えた電子相関効果は、チャネルへのバックアクションと吸収体準粒子準位の再正規化の間でキャンセルが生じるため、SNRにほとんど影響を及ぼさない（5%未満）。
• 吸収体の光学ギャップ（7.5 eV）がチャネル帯域幅（約2 eV）よりもはるかに大きいことから、スクリーニング効果により光学ギャップの再正規化に対しても、系は頑健である。