[논문 리뷰] Voltage Induced Hidden Symmetry and Photon Entanglement Generation in a Single, Site-Selected Quantum Dot

Michael E. Reimer, Marek Korkusiński외 9명|ArXiv.org|2007. 06. 07.

Semiconductor Quantum Structures and Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단일의 위치가 지정된 InAs/InP 양자점에서 은닉 대칭성을 유도하여 이중자점 결합 에너지를 상쇄시킴으로써 전압 조절 가능성을 통해 편광 얽힌 광자 쌍을 생성하는 방법을 제안한다. 횡방향 전기장이 가해지면, 비퇴화된 중간 상태의 엑시톤이 존재함에도 불구하고, 두 개의 동일한 재결합 경로를 달성하여 외부 자기장이나 복잡한 재료 공학 없이도 견고한 얽힘을 실현한다.

ABSTRACT

Present proposals for the realisation of entangled photon pair sources using the radiative decay of the biexciton in semiconductor quantum dots are limited by the need to enforce degeneracy of the two intermediate, single exciton states. We show how this requirement is lifted if the biexciton binding energy can be tuned to zero and we demonstrate this unbinding of the biexciton in a single, pre-positioned InAs quantum dot subject to a lateral electric field. Full Configuration-Interaction calculations are presented that reveal how the biexciton is unbound through manipulation of the electron-hole Coulomb interaction and the consequent introduction of Hidden Symmetry.

연구 동기 및 목표

• 양자점에서의 이방성 스핀 분리 에너지(Anisotropic Exchange Splitting, AES)의 제한을 극복하여, 이중자점 붕괴 과정에서의 얽힘을 해체하는 데 목적을 두며.
• 얽힌 광자 쌍 생성 시 비퇴화된 중간 엑시톤 상태가 필요 없도록 은닉 대칭성을 설계함으로써 이를 제거하는 데 목적을 두며.
• 조절 가능한 이중자점 결합 에너지를 가진 단일의 사전 위치가 지정된 InAs/InP 양자점에서 전압 제어를 통한 얽힘 경로를 실험적으로 보여주는 데 목적을 두며.
• 위치가 지정된 양자점 기반의 확장 가능하고 광섬유 호환 가능한 솔루션을 제공하여 양자 암호화 및 양자 정보 처리에 기여하는 데 목적을 두며.

제안 방법

• 스트립 기하학의 나노템플릿에 위치가 지정된 InAs/InP 양자점에 슈체키 게이트를 통해 횡방향 전기장을 적용하는 방법.
• 전자-홀 상호작용을 모델링하고 전기장 하에서 대칭성 붕괴를 예측하기 위해 전체 구성상호작용(Configuration-Interaction, CI) 계산을 사용하는 방법.
• 이중자점 상태에서 전자와 홀 간의 쿨롱 상호작용을 균형 잡음으로써 은닉 대칭성을 설계하는 방법.
• 횡방향 전기장을 조절하여 이중자점 결합 에너지를 0으로 조절함으로써 두 재결합 경로 간의 퇴화를 유도하는 방법.
• 전기장의 화이어링을 피하고 슈타르크 시프트를 관찰하기 위해 저강도 조명 조건에서 광발광을 측정하는 방법.
• 편광 분해 발광을 통해 두 광자가 수평 및 수직 편광에서 얽힘 상태임을 확인하는 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 전기장으로 단일 양자점에서 이중자점 결합 에너지를 0으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 양자점에서 은닉 대칭성이 나타나면, 비퇴화된 중간 엑시톤 상태가 존재함에도 불구하고 동일한 재결합 경로가 가능해지는가?
• RQ3 외부 자기장 없이도 이방성 스핀 분리 에너지가 존재하는 조건에서 편광 얽힌 광자 쌍을 견고하게 생성할 수 있는가?
• RQ4 전자-홀 쿨롱 상호작용과 상관 효과가 전기장 제어 하에서 이러한 대칭성을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 이중자점 결합 에너지가 0일 때, 강한 스핀 분리 에너지가 존재하더라도 얽힘이 유지되는가?

주요 결과

• 특정 횡방향 전기장에서 광발광 측정을 통해 X 및 XX 발광선 간의 퇴화가 관측됨으로써, 이중자점 결합 에너지가 0으로 조절됨을 확인하였다.
• 결합 에너지가 0일 때, 이중자점에서 기초 상태로의 두 재결합 경로가 서로 구분되지 않게 되어, 비퇴화된 중간 엑시톤 상태가 존재하더라도 견고한 얽힘이 실현된다.
• 전자-홀 쿨롱 상호작용의 변화와 단일 입자 에너지 이동 간의 상쇄로 인해 작은 슈타르크 시프트(~10 meV)가 관측되었다.
• 전체 구성상호작용 계산을 통해 상관 보정과 쿨롱 상호작용의 상쇄가 은닉 대칭성과 함께 결합 에너지의 소멸을 유도함을 확인하였다.
• 이중자점 캐스케이드를 통해 편광 얽힌 광자 쌍이 생성되었으며, 얽힘은 재결합 경로의 공학적 퇴화로 인해 유지되었다.
• 이 방법은 큰 외부 자기장이나 복잡한 재료 공학 없이도 열악한 조건의 양자점에서도 얽힘 생성이 가능하게 하였다.