[논문 리뷰] Switching the decay rate of an emitter inside a cavity in the time domain

Henri Thyrrestrup, Alex Hartsuiker외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 31.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 자유전자를 유도하여 이중준위 발광체의 복사 붕괴율을 스위칭함으로써 동적인 마이크로캐비티에서 자발적 방출의 결정론적 시간 제어를 제안한다. 시간에 따라 변화하는 국소적 광학 상태 밀도를 설계함으로써 시스템은 스위칭 기간 동안 결정론적 광자 폭발을 유도하며, 지수 감쇠에서 벗어나 강력하고 일관된 방출 펄스를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간 변화하는 광학 환경에서 자발적 방출 동역학의 결정론적 제어를 탐색한다.
• 양자 발광체에서 비지수적이고 폭발적인 광자 방출을 달성하는 데 도전한다.
• 시간에 따라 변화하는 캐비티 환경에서의 자극 상태 인구를 위한 비율 방정식 모델을 개발한다.
• 자유전자 스위칭을 활용한 현실적인 반도체 마이크로캐비티 시스템을 통해 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 캐비티 조건 하에서 이중준위 발광체의 자극 상태 인구의 시간 진화를 기술하기 위해 비율 방정식 모델을 수립한다.
• 모델은 캐비티 양자전기역학의 약한 결합 영역에서 작동하며, 마르코프 동역학을 가정한다.
• 국소적 광학 상태 밀도는 자연 붕괴 시간보다 짧은 시간스케일로 조절되어 복사 붕괴율의 빠른 스위칭을 가능하게 한다.
• 실제 시스템을 모델링한다: 자유전자 주입을 스위칭 메커니즘으로 사용하는 반도체 마이크로캐비티.
• 시간에 따라 변화하는 붕괴율을 제어 변수로 적용하여 방출 동역학을 시뮬레이션한다.
• 지수 감쇠에서의 이격 정도를 정량화하기 위해 광자 도착 시간 분포를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티 내에서 붕괴율의 결정론적 시간 조절이 자발적 방출의 폭발을 유도할 수 있는가?
• RQ2 시간에 따라 변화하는 광학 상태 밀도는 자극 상태 인구 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 붕괴율이 빠르게 증가할 경우 방출 프로파일은 어떻게 되는가?
• RQ4 이러한 제어 조건 하에서 방출이 지수 감쇠에서 얼마나 벗어나는가?
• RQ5 이 메커니즘은 요구 시 단일 광자 소스에 적합한 강력하고 일관된 광자 폭발을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 복사 붕괴율의 짧은 시간적 증가는 자극 상태 인구의 급격한 감소를 유도한다.
• 스위칭 사건 동안 방출 강도가 극적으로 향상되어 결정론적 광자 폭발이 발생한다.
• 광자 도착 시간 분포는 자발적 방출의 지수 감쇠 특성과 크게 이격되어 있다.
• 시스템은 포isson 분포가 아닌 광자 방출 프로파일을 나타내어 일관된 폭발적 방출을 시사한다.
• 방출 창 안에서 외부 펌프가 필요 없이, 뿐만 아니라 붕괴율의 시간적 조절에 의해 폭발이 유도된다.
• 약한 결합 영역에서도 효과가 견고하므로 반도체 마이크로캐비티에서의 실험적 실현 가능성이 높다.