[논문 리뷰] All-optical control of the spontaneous emission of quantum dots using coupled-cavity quantum electrodynamics

C. Y. Jin, Milo Yaro Swinkels외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 23.

Photonic Crystals and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 결합된 포토닉 크리스탈 공진기를 사용하여 양자점의 자발적 방출을 원격으로, 전적으로 광학적으로 제어하는 것을 보여준다. 파르티-페로르 공진기(Fabry-Perot cavity)를 목표 공진기와 공진 조건으로 스펙트르적으로 조정함으로써 국소 밀도 상태와 품질 인자(quality factor)가 수정되며, 이로 인해 발광 속도가 직접적인 에미터 간섭 없이 3배 이상의 비율로 가역적이고 비국소적으로 제어 가능해진다.

ABSTRACT

We demonstrate the remote all-optical control of the spontaneous emission (SE) of quantum dots using coupled photonic crystal cavities. By spectrally tuning a Fabry-Perot cavity in resonance with a target cavity, the quality factor and the local density of states experienced by emitters in the target cavity are modified, leading to a change in the SE rate. From the theoretical analysis of the coupled-cavity quantum electrodynamics system, the SE rate change can be higher than the quality factor change due to a reduction of the vacuum field at the emitter's position when the two cavities are brought in resonance. Both the weak and strong coupling regimes of two cavities have been observed experimentally and the SE decay rate has been modified by more than a factor of three with remote optical control.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 공진기 내에서 양자점의 자발적 방출을 원격으로, 가역적으로, 비침습적으로 제어하는 것.
• 국소적 또는 영구적인 조정 방법의 한계를 극복하기 위해, 동적 제어를 위해 결합된 공진기 양자 전기역학(CCQED)을 사용하는 것.
• 원격 공진기의 스펙트르 조정을 통해 풀러-인자(Purcell factor)와 방출 속도를 직접 에미터 상호작용 없이 수정할 수 있음을 입증하는 것.
• 가역적 빛-물질 상호작용을 위한 결합된 공진기 시스템에서 약한 결합 및 강한 결합 상태를 모두 검증하는 것.
• 양자 정보 응용을 위한 초고속, 전적으로 광학적인 방출 시점 제어를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 양자점(다이폴)과 목표 포토닉 크리스탈 공진기, 그리고 원격에 위치한 파르티-페로르(FP) 공진기를 포함하는 삼진동자 모델을 사용하여 결합된 시스템을 기술한다.
• 시스템을 모델링하기 위해 비헤르미트형 해밀토니안을 사용하며, 여기에 에미터 주파수(ω₀), 목표 공진기(ωₜ, κₜ), FP 공진기(ω_FP, κ_FP), 그리고 두 공진기 간의 결합률(η)을 매개변수로 포함시킨다.
• 해밀토니안을 대각화하기 위해 유니타리 변환(T)을 적용하고, 복합 상태를 유도함으로써 에너지 준위 분리와 전자기장 재분포를 분석할 수 있도록 한다.
• 에미터 위치에서의 Q 인자 및 국소 전기장 강도 변화를 고려하여, 효과적 풀러-인자를 사용해 수정된 자발적 방출 속도를 계산한다.
• 실시간 스펙트르 공진을 가능하게 하기 위해 FP 공진기 길이를 열광학적 조정을 통해 원격 제어를 수행한다.
• 다양한 공진 조정 및 결합 조건에서의 방출 속도 변화 측정을 통해 이론 모델을 실험적으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포토닉 크리스탈 공진기 내에 있는 양자점의 자발적 방출 속도는 두 번째 스펙트르 조절 가능한 공진기를 사용해 원격으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 직접적인 에미터 간섭 없이 원격에 있는 파르티-페로르 공진기와의 결합을 통해 방출 속도를 어느 정도까지 수정할 수 있는가?
• RQ3 관측된 방출 속도 변화가, 에미터 위치에서 진공 전자기장 재분포로 인한 Q 인자 변화를 초월하는가?
• RQ4 두 공진기 간의 강한 결합과 약한 결합이 큰 방출 속도 조절을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 광학적 제어 기법은 열조정 대신 자유적재자 주입을 사용하여 피코초 스케일의 초고속 작동으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 결합된 파르티-페로르 공진기를 원격으로 광학적으로 조정함으로써, 목표 포토닉 크리스탈 공진기 내에 있는 양자점의 자발적 방출 속도가 3배 이상 변화됨을 확인하였다.
• 관측된 방출 속도 변화가 공진기의 품질 인자 변화를 초월하여, 진공 전자기장 감소로 인한 제어 효율 향상이라는 이론적 예측을 확인하였다.
• 목표 공진기와 FP 공진기 간의 약한 결합 및 강한 결합 상태가 실험적으로 관측되었으며, 이는 공명 에너지의 공명 분리와 공명 에너지 간의 공명 에너지 교환을 의미한다.
• 시스템은 가역적이고 비국소적 제어를 실현하였다: FP 공진기의 공진 조정은 직접적으로 에미터나 목표 공진기를 변경하지 않고도 효과적 국소 밀도 상태와 방출 속도를 변화시켰다.
• 비헤르미트형 항을 포함한 삼진동자 해밀토니안을 사용한 이론적 모델링이, 다양한 결합 조건에서의 방출 속도 동역학과 모드 분리 현상을 정확히 예측하였다.
• 이 방법은 확장 가능하며, 자유적재자 주입을 통해 피코초 스케일의 초고속 동적 제어가 가능한 초고속 작동으로까지 확장 가능하여 고체 상태 양자 시스템 내 자발적 방출 제어에 응용 가능하다.