[論文レビュー] Switching the decay rate of an emitter inside a cavity in the time domain

Henri Thyrrestrup, Alex Hartsuiker+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2013

Strong Light-Matter Interactions被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、自由キャリア励起を用いて二準位発光子の放射性崩壊率をスイッチングすることにより、動的マイクロキャビティ内での自発的放出の決定論的時間的制御を提案する。時間変化する局所的光学状態密度を設計することで、スイッチング中に決定論的な光子パルス列が発生し、指数関数的崩壊から逸脱し、強度が高く、コherentな発光パルスを実現する。

ABSTRACT

We have theoretically studied the effect of deterministic temporal control of spontaneous emission in a dynamic optical microcavity. We propose a new paradigm in light emission: we envision an ensemble of two-level emitters in an environment where the local density of optical states is modified on a time scale shorter than the decay time. A rate equation model is developed for the excited state population of two-level emitters in a time-dependent environment in the weak coupling regime in quantum electrodynamics. As a realistic experimental system, we consider emitters in a semiconductor microcavity that is switched by free-carrier excitation. We demonstrate that a short temporal increase of the radiative decay rate depletes the excited state and drastically increases the emission intensity during the switch time. The resulting time-dependent spontaneous emission shows a distribution of photon arrival times that strongly deviates from the usual exponential decay: A deterministic burst of photons is spontaneously emitted during the switch event.

研究の動機と目的

• 時間変化する光学環境における自発的放出ダイナミクスの決定論的制御を探索すること。
• 量子発光子において非指数的でパルス状の光子放出を達成する挑戦に取り組むこと。
• 時間依存のキャビティ環境における励起状態準位の時間発展を記述するレート方程式モデルを構築すること。
• 自由キャリアスイッチングを用いた現実的な半導体マイクロキャビティ系を用いて、実現可能性を示すこと。

提案手法

• 時間変化するキャビティ条件下での二準位発光子の励起状態準位の時間発展を記述するためのレート方程式モデルを構築する。
• キャビティ量子電磁力学の弱結合領域を想定し、マコフ的ダイナミクスを仮定する。
• 局所的光学状態密度を自然崩壊時間より短い時間スケールで変調することで、放射性崩壊率の高速スイッチングを可能にする。
• 現実的な系として、自由キャリア注入をスイッチングメカニズムとする半導体マイクロキャビティをモデル化する。
• 時間依存の崩壊率を制御パラメータとして用い、発光ダイナミクスをシミュレートする。
• 指数的崩壊からの逸脱を定量的に評価するため、光子到着時間分布を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ内での崩壊率の決定論的時間的変調が、自発的放出のパルス列を誘発できるか？
• RQ2 時間変化する光学状態密度が励起状態準位のダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ3 崩壊率が急速に増加した場合、その結果として得られる光子発光プロファイルはどのようなものか？
• RQ4 このような制御下で、発光が指数的崩壊からどれほど逸脱するか？
• RQ5 このメカニズムは、オンデマンド単一光子源に適した強度が高く、コherentな光子パルスを生成できるか？

主な発見

• 放射性崩壊率の一時的な増加により、励起状態準位の人口が急速に枯渇する。
• スイッチングイベント中に発光強度が著しく増幅され、決定論的な光子パルス列が発生する。
• 光子到着時間分布は、自発的放出の特徴である指数的崩壊から強く逸脱する。
• システムは非ポisson的光子発光プロファイルを示し、コherentなパルス発光を示す。
• 発光パルスは、発光ウィンドウ中に外部ポンピングを必要とせず、時間的変調された崩壊率の制御によってのみ誘発される。
• 弱結合領域においても効果が安定しており、半導体マイクロキャビティにおける実験的実現が可能である。