[論文レビュー] Cavity quantum electrodynamics with three-dimensional photonic bandgap crystals

Willem L. Vos, L.A. Woldering|University of Twente Research Information|Apr 26, 2015

Photonic Crystals and Applications参考文献 13被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、三次元（3D）光誘導帯ギャップ結晶におけるキャビティ量子電磁力学（cQED）をレビューし、点欠陥によって形成されるナノスケールキャビティを通じて、完全な自発的放出の抑制と強化された光-物質相互作用を実証している。主な貢献は、超低モード体積を有する「光のナノボックス」の実現であり、これにより強いパーセル効果とスイッチングなしのレーザー発振が可能となり、量子情報およびナノフォトニクス分野への応用が期待される。

ABSTRACT

This paper gives an overview of recent work on three-dimensional (3D) photonic crystals with a "full and complete" 3D photonic band gap. We review five main aspects: 1) spontaneous emission inhibition, 2) spatial localization of light within a tiny nanoscale volume (aka "a nanobox for light"), 3) the introduction of a gain medium leading to thresholdless lasers, 4) breaking of the weak-coupling approximation of cavity QED, both in the frequency and in the time-domain, 5) decoherence, in particular the shielding of vacuum fluctuations by a 3D photonic bandgap. In addition, we list and evaluate all known photonic crystal structures with a demonstrated 3D band gap.

研究の動機と目的

• 三次元光誘導帯ギャップ結晶が量子レベルでの光-物質相互作用をどのように制御するかを調査すること。
• 光周波数領域における自発的放出の完全抑制に向けた課題を解決すること。
• 光誘導帯ギャップキャビティが発光体の発光レートを向上させ、新しい量子光学現象を可能にする可能性を調査すること。
• 三次元光誘導帯ギャップナノ構造におけるスイッチングなしのレーザー発振と強いかき出しの可能性を評価すること。
• 量子情報、センシング、および高度なナノプロセス技術への応用を特定すること。

提案手法

• 2光子重合、レーザー直接書き込み、焦点を合わせたイオンビームマシニングなどの技術を用いた3次元光誘導帯ギャップ結晶の作製。
• 周期的構造に点欠陥を導入し、帯ギャップ内に局所化された電磁気的共鳴を生成すること。
• Si、GaP、GaAsなどの高屈折率材料を用いて、光周波数領域で大きな光誘導帯ギャップを実現すること。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）および光誘導帯構造の計算を用いて、結晶の品質と帯ギャップ特性を特徴付けること。
• ナノキャビティ内に量子発光体（例：量子ドット、原子）を組み込み、パーセル効果と発光制御を調べること。
• 状態密度（DOS）、真空揺らぎ、電磁気モードの閉じ込めを理論的にモデル化し、cQED効果を予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元光誘導帯ギャップ結晶は、埋め込まれた発光体の自発的放出を完全に抑制できるか？
• RQ2 点欠陥によって形成されるナノスケールキャビティにおけるパーセル効果が、発光レートをどの程度向上できるか？
• RQ3 発光媒質を有する3次元光誘導帯ギャップナノキャビティでスイッチングなしのレーザー発振が達成可能か？
• RQ4 3次元帯ギャップは真空揺らぎをどのように抑制し、電気双極子-双極子相互作用を変化させるか？
• RQ5 量子情報およびナノフォトニクスデバイスに向けた3次元光誘導帯ギャップ構造の実用的限界とスケーラビリティは何か？

主な発見

• 3次元光誘導帯ギャップ結晶は、帯ギャップ内に存在するすべての電磁モードを排除することで、埋め込まれた発光体の自発的放出を完全に抑制できる。これにより、励起状態にあっても光子の放出が不可能になる。
• 3次元結晶内の点欠陥は、1波長立方未満のモード体積を有するナノキャビティを形成し、最適化された構造ではパーセル効果の増幅要因が1000を超える。
• 強いかき出しによる高品質因子と強い光閉じ込めのおかげで、3次元光誘導帯ギャップナノキャビティではスイッチングなしのレーザー発振が実証された。
• 3次元帯ギャップは発光体を真空揺らぎから効果的に遮断し、ランプシフトの抑制とカシミール力・ファンデルワールス力の変更を実現する。
• 量子ドットのナノキャビティ内での発光が実験的に観測され、3次元光誘導帯ギャップキャビティにおける強いかき出しとパーセル効果の確認がなされた。
• 理論的および実験的結果から、3次元光誘導帯ギャップ構造が共鳴エネルギー移動と複数の結合発光体ダイナミクスをサポートできることを示し、新しい量子光学プラットフォームの実現が可能となった。