[논문 리뷰] Electrically-Pumped Wavelength-Tunable GaAs Quantum Dots Interfaced with Rubidium Atoms

Huiying Huang, Rinaldo Trotta외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 05.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 87Rb 원자 D2 전이와 공명하는 첫 번째 전기적으로 구동되는 파장 조절 가능한 GaAs 양자점 LED를 입증한다. 양자점 LED를 피에조 전기적 액추에이터와 통합하고 75mm 길이의 Rb 기체 세포에 결합함으로써, 시스템은 최대 3.4 ns의 시간 지연을 달성하여 빛을 느리게 하는 효과를 나타내며, 양자 네트워크를 위한 하이브리드 양자 시스템의 발전에 기여한다.

ABSTRACT

We demonstrate the first wavelength-tunable electrically-pumped source of non-classical light that can emit photons with wavelength in resonance with the D2 transitions of 87Rb atoms. The device is fabricated by integrating a novel GaAs single-quantum-dot light-emitting-diode (LED) onto a piezoelectric actuator. By feeding the emitted photons into a 75-mm-long cell containing warm 87Rb atom vapor, we observe slow-light with a temporal delay of up to 3.4 ns. In view of the possibility of using 87Rb atomic vapors as quantum memories, this work makes an important step towards the realization of hybrid-quantum systems for future quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 원자 양자 시스템과 호환되는 비고전적 빛의 조절 가능하고 전기적으로 구동되는 소스를 개발하는 것.
• 반도체 양자점과 Rb 원자 기체와의 공명 결합을 가능하게 하여 양자 인터페이스 응용을 위한 기반을 마련하는 것.
• 하이브리드 시스템에서 광자-원자 상호작용을 통해 빛을 느리게 하는 효과를 실험적으로 구현하는 것.
• 스케일러블한 양자 네트워크를 위한 고체 상태 양자 발광체와 원자 양자 메모리의 통합을 촉진하는 것.

제안 방법

• 응력 공학을 통해 파장 조절이 가능한 GaAs 단일 양자점 발광 다이오드(LED)를 제작한다.
• LED를 피에조 전기적 액추에이터에 단일체로 통합하여 기계적 응력에 의한 동적 파장 조절을 가능하게 한다.
• 양자점에서 발생하는 전기발광을 따뜻한 87Rb 원자 기체를 포함한 75mm 길이의 세포로 커플링한다.
• 시스템은 방출된 광자가 87Rb D2 전이(790 nm)와 공명하도록 구성되어 있어 강한 빛-물질 상호작용을 가능하게 한다.
• 교차 상관 기법을 사용하여 광자 지연을 측정함으로써 빛을 느리게 하는 효과를 관찰한다.
• 장치는 전기 주입 방식으로 작동하여 조절 가능한 양자 빛 소스의 실용적이고 칩 내 구현을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적으로 구동되는 GaAs 양자점 LED가 87Rb D2 전이와 공명하는 파장(790 nm)에서 광자를 방출할 수 있는가?
• RQ2 해당 소스가 Rb 원자 기체와 결합되었을 때 관측 가능한 빛을 느리게 하는 효과를 나타낼 수 있는가?
• RQ3 원자 시스템과의 공명 결합을 위해 고체 상태 양자 발광체에서 동적 파장 조절이 가능한가?
• RQ4 이 하이브리드 시스템은 통합된 양자 메모리를 갖춘 스케일러블한 양자 네트워크의 기본 요소로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• GaAs 양자점 LED는 전기적으로 조절하여 790 nm에서 광자를 방출함으로써 87Rb D2 전이와 정확히 일치시켰다.
• 광자가 Rb 기체 세포를 통과할 때 최대 3.4 ns의 시간 지연가 관측되어 빛을 느리게 하는 효과가 입증되었다.
• 전기적으로 구동되는 양자점과 기체 상태 원자 간에 공명 결합이 이루어져 강한 빛-물질 상호작용이 가능해졌다.
• LED를 피에조 전기적 액추에이터와 통합함으로써 동적 파장 조절이 가능해졌으며, 이는 실용적인 양자 인터페이스 응용에 필수적인 요소였다.
• 장치는 전기 주입 방식으로 작동하여 칩 내에서 구현 가능한 스케일러블한 양자 광학 시스템으로의 핵심 단계를 밟았다.