[論文レビュー] All-optical control of the spontaneous emission of quantum dots using coupled-cavity quantum electrodynamics

C. Y. Jin, Milo Yaro Swinkels+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2012

Photonic Crystals and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、結合したフォトニクスクリスタルキャビティを用いて、量子ドットの放射放出を遠隔かつ全光学的制御することを示している。スペクトル的にファブリ・ペロー（FP）キャビティを目的のキャビティに共鳴させることで、局所状態密度とQファクターが変化し、発光率が直接的励起子への干渉なしに3倍以上にまで可逆的かつ非局所的に制御可能となる。

ABSTRACT

We demonstrate the remote all-optical control of the spontaneous emission (SE) of quantum dots using coupled photonic crystal cavities. By spectrally tuning a Fabry-Perot cavity in resonance with a target cavity, the quality factor and the local density of states experienced by emitters in the target cavity are modified, leading to a change in the SE rate. From the theoretical analysis of the coupled-cavity quantum electrodynamics system, the SE rate change can be higher than the quality factor change due to a reduction of the vacuum field at the emitter's position when the two cavities are brought in resonance. Both the weak and strong coupling regimes of two cavities have been observed experimentally and the SE decay rate has been modified by more than a factor of three with remote optical control.

研究の動機と目的

• 固体キャビティ内の量子ドットからの自発的放出を、遠隔的かつ可逆的・非侵襲的に制御すること。
• 局所的または恒久的な調整法の限界を克服するため、動的制御を可能にする結合キャビティ量子電磁力学（CCQED）を用いること。
• 励起子への直接的相互作用なしに、遠隔キャビティのスペクトル調整によってポール因子および発光率を変更できることを示すこと。
• 結合キャビティ系において弱結合および強結合の両状態を実験的に検証し、可変な光・物質相互作用を実現すること。
• 量子情報技術への応用を想定し、超高速で全光学的発光タイミング制御を可能とすること。

提案手法

• 量子ドット（電気双極子）、目的のフォトニクスクリスタルキャビティ、および遠隔に位置するファブリ・ペロー（FP）キャビティからなる3振動子モデルを用いて、結合系を記述する。
• ハミルトニアンに非エルミート項を導入し、励起子周波数（ω₀）、目的キャビティ（ωₜ、κₜ）、FPキャビティ（ω_FP、κ_FP）、およびキャビティ間結合定数（η）をパラメータとして設定する。
• ユニタリ変換（T）を適用してハミルトニアンを対角化し、ドレスド状態を導出し、エネルギー準位分裂および場強度再分配を解析可能にする。
• Qファクターおよび励起子位置における局所場強度の変化を考慮した有効ポール因子を用いて、修正された自発的放出率を計算する。
• FPキャビティ長の熱光的調整により、実時間での目的キャビティモードとの共鳴を実現し、遠隔制御を実装する。
• 理論モデルの妥当性を、さまざまなキャビティデチューニングおよび結合条件下での発光率変化の実験測定により検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクスクリスタルキャビティ内に配置された量子ドットの自発的放出率を、第二のスペクトル可変キャビティを用いて遠隔で制御可能か？
• RQ2 励起子への直接的干渉なしに、遠隔に位置するファブリ・ペロー（FP）キャビティへの結合によって、発光率はどの程度変化可能か？
• RQ3 観測された発光率変化は、励起子位置における真空場再分配に起因するQファクター変化を上回るか？
• RQ4 弱結合と強結合のどちらの状態が、大きな発光率変調を可能にするか？
• RQ5 自由キャリア注入を用いることで、この全光学的制御方式を超高速（psスケール）動作に拡張可能か？

主な発見

• 結合したファブリ・ペロー（FP）キャビティの遠隔的光的調整により、目的のフォトニクスクリスタルキャビティ内に配置された量子ドットの自発的放出率が3倍以上に変更された。
• 観測された発光率変化は、Qファクターの変化を上回っており、励起子位置における真空場強度の低下が制御効率を向上させることを理論的予測が裏付けた。
• 目的キャビティとFPキャビティ間の弱結合および強結合の両状態が実験的に観測され、共鳴エネルギー交換および準位分裂が生じることを示した。
• 本システムは、励起子や目的キャビティを直接変更することなく、可逆的かつ非局所的な制御を実現した。FPキャビティの共鳴エネルギーを調整することで、有効な局所状態密度および発光率が変化した。
• 非エルミート項を含む3振動子ハミルトニアンを用いた理論的モデルが、さまざまな結合条件における発光率ダイナミクスおよびモード分裂を正確に予測した。
• 本手法はスケーラブルであり、自由キャリア注入を用いることで、固体状態量子系におけるpsスケールの動的発光率制御に応用可能である。