[논문 리뷰] Long-Distance Coupling and Energy Transfer between Exciton States in Magnetically Controlled Microcavities

Maciej Ściesiek, Krzysztof Sawicki외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 17.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 64인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 투과성 브라그 미러로 분리된 두 개의 마이크로캐비티로 구성된 결합된 마이크로캐비티 시스템에서, 펄서론을 통한 결합을 통해 2.15 µm 이상의 거리에서 엑시톤 상태 간에 자기장 제어가 가능한 장거리 에너지 전달을 구현한다. 자기장 조절을 통해 맨간 도핑된 양자우물의 엑시톤 에너지를 비자성 우물과 비교해 이동시켜, 네 수준의 펄서론계 시스템에서 강한 빛-물질 결합을 통해 에너지 흐름 방향을 가역적으로 제어할 수 있다.

ABSTRACT

Coupling of quantum emitters in a semiconductor relies, generally, on short-range dipole-dipole or electronic exchange type interactions. Consistently, energy transfer between exciton states, that is, electron-hole pairs bound by Coulomb interaction, is limited to distances of the order of 10~nm. Here, we demonstrate polariton-mediated coupling and energy transfer between excitonic states over a distance exceeding 2~$\mu$m. We accomplish this by coupling quantum well-confined excitons through the delocalized mode of two coupled optical microcavities. Use of magnetically doped quantum wells enables us to tune the confined exciton energy by the magnetic field and in this way to control the spatial direction of the transfer. Such controlled, long-distance interaction between coherently coupled quantum emitters opens possibilities of a scalable implementation of quantum networks and quantum simulators based on solid-state, multi-cavity systems.

연구 동기 및 목표

• 10 nm 이하의 펄서 한계를 초월하여 공간적으로 분리된 엑시톤 상태 간의 장거리 에너지 전달을 달성하기 위해.
• 외부 자기장으로 에너지 전달 방향을 제어할 수 있음을 입증하기 위해.
• 결합된 마이크로캐비티를 이용해 확장 가능한 고체 상태 플랫폼을 통해 양자 시뮬레이터와 네트워크를 실현하기 위해.
• 네 수준의 하이브리드 시스템에서 분포된 광자 모드를 통한 펄서론을 통한 결합을 활용하기 위해.

제안 방법

• 반투명 브라그 미러로 분리된 두 개의 마이크로캐비티를 포함하는 더블 커플드 마이크로캐비티 구조를 사용하였다.
• 자기장 조절이 가능한 비자성 (Cd,Zn)Te 및 반자성 (Cd,Mn,Zn)Te 양자우물을 통합하여 엑시톤 에너지 조절을 가능하게 하였다.
• 강한 빛-물질 결합을 통해 엑시톤과 분포된 캐비티 모드를 포함하는 네 수준의 펄서론계 시스템을 형성하였다.
• 자기장이 팔레일리 기하학적 배치에서 맨간 도핑된 우물의 증발 분열을 조절하여, 맨간 도핑된 우물의 엑시톤 에너지를 비자성 우물과 비교해 이동시켰다.
• 자기장과 평면 내 동역학량을 함수로 하여 광발광 스펙트럼을 측정하여, 펄서론 분산과 에너지 전달 특성을 매핑하였다.
• 하이브리드 시스템을 기술하고 히프리드 계수를 계산하기 위해 4-진동자 해밀토니안 모델(Eq. 1)을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄서론을 통한 결합을 통해 엑시톤 상태 간의 에너지 전달을 10 nm 펄서 한계를 초월해 연장시킬 수 있는가?
• RQ2 공간적으로 분리된 양자우물 간의 에너지 전달 방향을 외부 자기장으로 가역적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 고체 상태 마이크로캐비티 시스템에서 공명 에너지 전달의 공간 범위는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 엑시톤과 광자 상태의 하이브리드화가 네 수준의 펄서론계 시스템에서 장거리 결합을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 엑시톤 상태 간의 에너지 전달이 2.15 µm의 거리에서 이루어졌으며, 일반적인 10 nm 펄서 한계를 초과하여 두 개 이상의 주기만큼 증가하였다.
• 자기장 조절을 통해 에너지 전달 방향을 뒤바꿈할 수 있었다: Bcrit 이하에서는 비자성 우물에서 맨간 도핑된 우물로, Bcrit 이상에서는 그 반대 방향으로 전환되었다.
• 광발광 맵에서 명백한 반공명 및 모드 하이브리드화가 관측되어 강한 결합과 네 수준의 펄서론계 시스템 형성을 확인하였다.
• 히프리드 계수 분석을 통해 저에너지 펄서론 상태(수준 1)가 낮은 자기장에서 비자성 양자우물의 기여가 우세했으며, 고자기장에서는 맨간 도핑된 우물로 기여가 이동함을 확인하였다.
• 강한 효율성과 함께, 방출의 강도 및 편광 의존성으로부터 자기장 조절 가능하고 가역적인 에너지 전달이 가능함을 입증하였다.
• 4-진동자 해밀토니안 모델을 사용한 이론적 모델링이 관측된 분산과 자기장에 따른 에너지 준위 변화를 성공적으로 재현하였다.