[論文レビュー] Strong Purcell enhancement of an optical magnetic dipole transition

Sebastian P. Horvath, Christopher M. Phenicie+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

Quantum optics and atomic interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、立方体のサイト対称性を活用して電気双極子遷移の衰えを抑えることで、マグネティック双極子（MD）遷移を強く強調した、MgO格子に埋め込まれた単一のEr³⁺イオンにおける光学的MD遷移の強いパーセル効果を示している。小さな磁気モード体積（Vₘ = 0.068 μm³）を持つナノフォトニクスキャビティを用いることで、著者らは磁気パーセル因子Pₘ = 1040 ± 30を達成し、強調がMDチャネルに起因することを明確に特定した。さらに、光学的スピン初期化および読み出しを可能にするスピン光インターフェースを実現した。

ABSTRACT

Engineering the local density of states with nanophotonic structures is a powerful tool to control light-matter interactions via the Purcell effect. At optical frequencies, control over the electric field density of states is typically used to couple to and manipulate electric dipole transitions. However, it is also possible to engineer the magnetic density of states to control magnetic dipole transitions. In this work, we experimentally demonstrate the optical magnetic Purcell effect using a single rare earth ion coupled to a nanophotonic cavity. We engineer a new single photon emitter, Er$^{3+}$ in MgO, where the electric dipole decay rate is strongly suppressed by the cubic site symmetry, giving rise to a nearly pure magnetic dipole optical transition. This allows the unambiguous determination of a magnetic Purcell factor $P_m=1040 \pm 30$. We further extend this technique to realize a magnetic dipole spin-photon interface, performing optical spin initialization and readout of a single Er$^{3+}$ electron spin. This work demonstrates the fundamental equivalence of electric and magnetic density of states engineering, and provides a new tool for controlling light-matter interactions for a broader class of emitters.

研究の動機と目的

• 可視光〜近赤外域における光学的磁気双極子遷移の強いパーセル効果を実証すること。この領域では通常、電気双極子遷移が支配的である。
• Er³⁺:MgOにおける立方体サイト対称性を活用して、電気双極子衰えの経路を最小限に抑えたほぼ純粋な磁気双極子遷移を持つ単一光子発光体を設計すること。
• 小さな磁気モード体積を有するナノフォトニクスキャビティを用いて、光学領域における磁気状態密度の工学的制御を明確に同定・定量すること。
• キャビティ強調された磁気双極子遷移に基づく、単一Er³⁺電子スピンの光学的初期化および読み出しを可能にする機能的スピン光インターフェースを確立すること。

提案手法

• 基体結晶の立方体サイト対称性を活用して、電気双極子衰えを抑えることで、ほぼ純粋な磁気双極子遷移を持つEr³⁺:MgOを単一光子発光体として設計する。
• 小さな磁気モード体積（Vₘ = 0.068 μm³）を有するナノフォトニクスキャビティを用いて、局所的磁気状態密度を強調し、パーセル効果を誘発する。
• 個々のEr³⁺イオンの蛍光および吸収スペクトルを測定し、結晶場モデルと比較することで、遷移の磁気双極子性を確認する。
• 結晶場およびスピン軌道結合を含むハミルトニアンを用いて磁気双極子行列要素および遷移率を計算し、予測されたMD衰え率が43.23 s⁻¹、寿命が23.1 msであると導出する。
• 電気双極子（ED）および電気四重極子（EQ）の競合する衰えルートを評価し、観測されたパーセル効果の原因がED寄与である可能性を除外する。
• キャビティ強調されたMD遷移を用いて、単一Er³⁺スピンのグランド状態スピン構造、寿命、コherences時間の特性を評価するための光学的スピン初期化および読み出しを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気双極子成分が最小限に抑えられた固体系において、光学的磁気双極子遷移に対して強いパーセル効果を達成できるか？
• RQ2 ナノフォトニクスキャビティにおける磁気状態密度をどの程度工学的に制御して、磁気双極子放射を強化できるか？
• RQ3 MgO格子に埋め込まれた単一Er³⁺イオンは、立方体サイト対称性のおかげでほぼ純粋な磁気双極子発光体として機能できるか？
• RQ4 キャビティ内で観測されたパーセル効果は主に磁気双極子放射に起因しており、電気双極子または高次モーメント寄与と明確に区別できるか？
• RQ5 キャビティ強調された磁気双極子遷移を用いて、単一電子スピンの光学的制御および測定を可能にする機能的スピン光インターフェースを実装できるか？

主な発見

• 立方体サイト対称性のおかげで、Er³⁺:MgO系は1540.48 nmでほぼ純粋な磁気双極子遷移を示し、電気双極子衰えが強く抑制されている。
• 実験的に測定された磁気パーセル因子はPₘ = 1040 ± 30であり、ナノフォトニクスキャビティ内での磁気双極子放射率の強い強調を示している。
• 測定されたパーセル因子は、純粋な磁気双極子発光体に対する理論予測とよく一致しており、電気双極子衰えによる寄与は顕著でない（10%未満）ことが裏付けられた。
• 電気四重極子衰え率は無視できるほど小さい（1.72 × 10⁻⁵ s⁻¹）と推定され、観測された強調に寄与していないことが確認された。
• キャビティ強調された磁気双極子遷移により、単一Er³⁺電子スピンの光学的初期化および読み出しが可能となり、そのグランド状態スピン構造およびコherences時間の特定が可能になった。
• 結果として、光学領域における電気および磁気状態密度工学の根本的同等性が確立され、磁気双極子遷移を量子技術分野で活用する新たな道筋が開かれた。