[論文レビュー] Quantum light from a carbon nanotube

Alexander Högele, Christophe Galland+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2007

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 19被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、低温における励起子の局在化により、個々のカーボンナノチューブから単一光子が発光することを、光子反ぶつり（photon antibunching）によって実証した。また、オイラー過程による二光子発光の抑制により、5%未満の多光子発光確率を達成した。カーボンナノチューブは、量子暗号技術への応用において有望な固体状態光源として浮上している。

ABSTRACT

We report the first observation of photon antibunching in the photoluminescence from single carbon nanotubes. The emergence of a fast luminescence decay component under strong optical excitation indicates that Auger processes are partially responsible for inhibiting two-photon generation. Additionally, the presence of exciton localization at low temperatures ensures that nanotubes emit photons predominantly one by one. The fact that multiphoton emission probability can be smaller than 5% suggests that carbon nanotubes could be used as a source of single photons for applications in quantum cryptography.

研究の動機と目的

• 強い光励起下での個々のカーボンナノチューブの光励起特性を調査すること。
• オイラー過程が二光子発光を抑制する役割を特定すること。
• カーボンナノチューブが量子技術用の単一光子源として実用可能かどうかを評価すること。
• 低温における励起子の局在化が、光子発光統計に与える影響を調査すること。

提案手法

• オイラー過程に関連する速い減衰成分を特定するために、強い光励起下での光励起寿命の測定。
• 低温条件を用いて励起子の局在化を促進し、複数励起子状態の発生確率を低下させること。
• 光子反ぶつり測定による光子統計の分析を通し、単一光子発光の確認。
• 量子暗号技術への適性を評価するため、多光子発光確率の定量的評価。
• 個々のナノチューブにおける励起強度と発光減衰行動の相関を調査すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のカーボンナノチューブは光子反ぶつりを示すことができ、これが単一光子発光を示唆するか？
• RQ2 オイラー過程がカーボンナノチューブにおける二光子発光をどの程度抑制するか？
• RQ3 低温における励起子の局在化が、1つずつの光子発光にどのように影響を与えるか？
• RQ4 カーボンナノチューブにおける多光子発光確率は何か？また、実用的量子応用の閾値未満に低下させられるか？

主な発見

• 光子反ぶつりが個々のカーボンナノチューブの光励起発光で観測され、光子が主に1つずつ発光していることが確認された。
• 強い励起条件下で速い光励起寿命成分が出現し、オイラー過程が二光子発光を抑制していることが示された。
• 低温における励起子の局在化は、単一励起子の安定化により、単一光子発光の確率を高める。
• 多光子発光確率は5%未満と測定され、量子暗号技術への強い適性が示された。
• 本研究の結果は、カーボンナノチューブが高精度な固体状態単一光子源として機能可能であることを示している。