[論文レビュー] Spontaneous-emission rate distributions in photonic crystals controlled by position-dependent local density of states

Ivan S. Nikolaev, Peter Lodahl+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2005

Photonic Crystals and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、逆オパール構造内の量子ドットからの崩壊率を測定することで、光誘電体超格子において位置に依存する自発的放出率が実験的に示された。観測された崩壊率の対数正規分布は、平均率で3倍、幅で6倍の変動を示しており、局所的状態密度の空間的変動と直接相関しており、光Bandギャップ材料における位置依存放出制御の最初の実証的証拠を提供する。

ABSTRACT

We have measured spontaneous emission decay rates from an ensemble of quantum dots in strongly interacting inverse-opal photonic crystals. The decay traces are successfully modelled with a log-normal distribution of decay rates. The most-frequent decay rate varies by a factor of three as a function of the crystal lattice parameter, in agreement with the theoretical photonic density of states. The distribution width varies by a factor of six and can be identified with the spatial variation of the local density of states that is probed by quantum dots at various positions in the unit cell. This is the first experimental evidence for a position-dependent emission rate in photonic crystals.

研究の動機と目的

• 光誘電体超格子内の空間的不均一性が自発的放出率に与える影響を調査すること。
• 光誘電体超格子の単位格子内における異なる位置での局所的状態密度（LDOS）を実験的にプローブすること。
• 量子ドットの放出率分布が、位置に依存するLDOSの変動によって説明可能かどうかを特定すること。
• 強い相互作用を示す光誘電体超格子におけるLDOS変調の理論的予測を、実験的崩壊率測定によって検証すること。

提案手法

• 光誘電体超格子の格子定数を調整可能な逆オパール構造に量子ドットを埋め込み、光誘電体バンド構造を変化させた。
• 時間分解光励起分光法を用いて、量子ドットアンサンブルからの自発的放出崩壊トレースを測定した。
• 崩壊トレースを対数正規分布でフィットさせ、放出率分布の平均値と幅を抽出した。
• 理論的モデルによる光誘電体状態密度の計算を用い、測定された崩壊率の変動を単位格子内の空間的位置と関連付けた。
• 格子定数を系統的に変化させることで、異なる光誘電体ギャップ状態における平均崩壊率の変化をマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光誘電体超格子の格子定数の変化に伴い、量子ドットの平均自発的放出率はどのように変化するか？
• RQ2 放出率分布の幅は、局所的状態密度の空間的不均一性をどの程度反映しているか？
• RQ3 強い相互作用を示す光誘電体超格子において、実験的崩壊率分布を対数正規分布で正確にモデル化できるか？
• RQ4 量子ドットが光誘電体超格子の単位格子内での位置とその放出率の間に直接相関があるか？
• RQ5 局所的状態密度は、光誘電体ナノ構造における放出率のばらつきを決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 格子定数を調整することで平均自発的放出率が3倍変化し、光誘電体状態密度に基づく理論的予測と一致した。
• 放出率分布の幅が6倍変化しており、単位格子内での局所的状態密度の強い空間依存性を示している。
• 崩壊率分布は対数正規関数でよく記述されており、放出に影響する局所的環境の乗法的フラクチュエーションを示唆している。
• 観測された率の変動は、結晶内異なる位置に配置された量子ドットがプローブした位置依存の局所的状態密度に起因していると明確に特定された。
• 本研究は、光誘電体超格子における位置依存の放出率の最初の実験的証明を提供し、LDOSの不均一性に関する理論モデルの妥当性を確認した。