[논문 리뷰] Strong Purcell enhancement of an optical magnetic dipole transition

Sebastian P. Horvath, Christopher M. Phenicie외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 06.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 Er³⁺ 이온을 MgO 기질 결정에 삽입하여 체적 대칭성을 활용해 전기 dipole 붕괴를 억제하고 MD 전이를 분리함으로써 가시광에서 가까운 적외선 영역에서 강한 Purcell 증폭을 구현한다. 작은 자기 모드 부피(Vₘ = 0.068 μm³)를 가진 나노광학 공진기에서 저자들은 자기 Purcell 인자 Pₘ = 1040 ± 30을 달 đạt하여 증폭이 MD 채널에 기인함을 명확히 규명하였고, 또한 단일 전자 스핀의 광학적 초기화 및 독출을 가능하게 하는 스핀-광자 인터페이스를 실현하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가시광에서 가까운 적외선 영역에서 전기 dipole 전이가 일반적으로 지배하는 분야에서 광학적 자기 dipole 전이에 대해 강한 Purcell 증폭을 보여주기 위해.
• Er³⁺:MgO에서 체적 대칭성을 활용하여 단일 광자 발광체를 설계하여 거의 순수한 자기 dipole 전이를 만들고, 경쟁적인 전기 dipole 붕괴 경로를 최소화하기 위해.
• 작은 자기 모드 부피를 가진 나노광학 공진기를 사용하여 광역에서 자기 밀도 상태 공 ing을 명확히 규명하고 정량화하기 위해.
• 공진기 증폭된 자기 dipole 전이를 기반으로 한 기능성 스핀-광자 인터페이스를 구축하여 단일 Er³⁺ 전자 스핀의 광학적 초깃값 설정 및 독출을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 기질 결정의 체적 대칭성을 활용하여 Er³⁺:MgO를 거의 순수한 자기 dipole 전이를 갖는 단일 광자 발광체로 설계하여 전기 dipole 붕괴를 억제한다.
• 작은 자기 모드 부피(Vₘ = 0.068 μm³)를 가진 나노광학 공진기를 사용하여 국소 자기 밀도 상태를 증폭하고 Purcell 증폭을 유도한다.
• 개별 Er³⁺ 이온의 형광 및 흡수 스펙트럼을 측정하고 결정장 모델과 비교하여 전이의 자기 dipole 성격을 확인한다.
• 결정장 및 스핀-오비트 결합을 포함한 해밀토니안을 사용하여 자기 dipole 행렬 원소와 전이 속도를 계산하여 예측된 MD 붕괴 속도 43.23 s⁻¹ 및 수명 23.1 ms를 도출한다.
• 전기 dipole(ED) 및 전기 4중극자(EQ)와 같은 경쟁 붕괴 경로를 평가하여 관측된 Purcell 증폭의 원인이 ED 기여로 인한 것이 아님을 배제한다.
• 공진기 증폭된 MD 전이를 사용하여 단일 Er³⁺ 전자 스핀의 광학적 초깃값 설정 및 독출을 수행하여 그 기저 상태 스핀 구조, 수명 및 공명 시간을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기 dipole 오염이 최소한인 고체계에서 광학적 자기 dipole 전이에 대해 강한 Purcell 증폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 나노광학 공진기에서 자기 밀도 상태를 얼마나 정밀하게 공학하여 자기 dipole 방출을 증폭시킬 수 있는가?
• RQ3 MgO 기질에서 체적 대칭성을 통해 단일 Er³⁺ 이온이 거의 순수한 자기 dipole 발광체로 기능할 수 있는가?
• RQ4 관측된 Purcell 증폭이 주로 자기 dipole 방출에 기인한 것으로 확인될 수 있으며, 전기 dipole나 고차원 기여와 명확히 구별될 수 있는가?
• RQ5 공진기 증폭된 자기 dipole 전이를 활용하여 단일 전자 스핀의 광학적 제어 및 측정을 위한 기능성 스핀-광자 인터페이스를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• Er³⁺:MgO 시스템은 체적 대칭성 덕분에 1540.48 nm에서 거의 순수한 자기 dipole 전이를 나타내며, 이는 전기 dipole 붕괴를 강력히 억제한다.
• 실험적으로 측정된 자기 Purcell 인자는 Pₘ = 1040 ± 30으로, 나노광학 공진기에서 자기 dipole 방출 속도의 강한 증폭을 보여준다.
• 측정된 Purcell 인자는 순수한 자기 dipole 발광체에 대한 이론적 예측과 잘 일치하며, 전기 dipole 붕괴 기여가 미미함(10% 미만)을 배제한다.
• 전기 4중극자 붕괴 속도는 무시할 만큼 낮게 추정되며(1.72 × 10⁻⁵ s⁻¹), 관측된 증폭에 기여하지 않음을 확인한다.
• 공진기 증폭된 자기 dipole 전이 덕분에 단일 Er³⁺ 전자 스핀의 광학적 초깃값 설정 및 독출이 가능해졌으며, 기저 상태 스핀 구조와 공명 시간을 규명할 수 있었다.
• 결과적으로 전기 및 자기 밀도 상태 공학이 광역에서 본질적으로 동일한 역할을 한다는 것을 입증하였고, 자기 dipole 전이를 양자 기술 분야에서 활용할 수 있는 새로운 길을 열었다.