[論文レビュー] Voltage Induced Hidden Symmetry and Photon Entanglement Generation in a Single, Site-Selected Quantum Dot

Michael E. Reimer, Marek Korkusiński+9 more|ArXiv.org|Jun 7, 2007

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、バイエクシシトン結合エネルギーをキャンセルする隠れた対称性を誘発することで、1つのサイト選択型 InAs/InP 量子ドットから電圧可変な方法で偏光もつれ光子対を生成する手法を提案する。横方向の電場を印加することで、非-degenerate 中間状態の励起子状態であっても、縮退した再結合経路を実現し、外部磁場や複雑な材料工学を必要とせずに頑健なもつれを実現する。

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.

研究の動機と目的

• 量子ドットにおける異方的交換分裂（AES）の制限を克服し、バイエクシシトン崩壊カスケードにおけるもつれを破壊することを目的とする。
• もつれ光子対生成において、中間励起子状態が縮退している必要がないように、隠れた対称性を設計することを目的とする。
• 1つの事前に位置指定された InAs/InP 量子ドットを用いて、バイエクシシトン結合エネルギーを電圧で制御するもつれ生成ルートを実証することを目的とする。
• サイト選択量子ドットを用いたスケーラブルでファイバー互換性のあるソリューションを提供し、量子暗号や量子情報処理に応用することを目的とする。

提案手法

• ストライプ形状のナノテンプレート上に配置されたサイト選択型 InAs/InP 量子ドットに、シュットキー格子を介して横方向の電場を印加する。
• 電子-正孔相互作用をモデル化し、電場下での対称性破壊を予測するために、完全な配置相互作用（CI）計算を用いる。
• バイエクシシトン状態における電子と正孔間のクーロン引力と反発力をバランスさせることで、隠れた対称性を設計する。
• 横方向の電場を調整することでバイエクシシトン結合エネルギーをゼロに調節し、2つの再結合経路間の縮退を実現する。
• 電場スクリーニングを避けるために低励起条件下で光励起を測定し、X および XX 遷移におけるスターティックシフトを観察する。
• 偏光分解光放出を用いて同一視可能な崩壊経路を特定し、両方の光子が水平および垂直偏光でもつれていることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部電場を用いて、単一量子ドットにおけるバイエクシシトン結合エネルギーをゼロに調整できるか？
• RQ2 量子ドットにおける隠れた対称性の出現により、非縮退の中間励起子状態であっても、同一視可能な再結合経路が実現可能か？
• RQ3 外部磁場を必要とせず、異方的交換分裂が存在する状況下でも、偏光もつれ光子対を頑健に生成できるか？
• RQ4 電子-正孔クーロン相互作用および相関効果が、電場制御下でのこの対称性の実現に果たす役割は何か？
• RQ5 バイエクシシトン結合エネルギーがゼロであっても、強い交換分裂が存在する状況でももつれは保持されるか？

主な発見

• 光励起測定により、特定の横方向電場でバイエクシシトン結合エネルギーがゼロに調整され、X および XX 発光線の縮退が確認された。
• 結合エネルギーがゼロの状態では、バイエクシシトンから基底状態への2つの再結合経路が同一視可能となり、非縮退の中間励起子状態であっても頑健なもつれが実現された。
• 単粒子エネルギーのシフトと電子-正孔クーロン相互作用の変化の相殺により、小さなスターティックシフト（約10 meV）が観測された。
• 完全な配置相互作用計算により、相関補正とクーロン相互作用のキャンセルが隠れた対称性を生み出し、結合エネルギーが消失することを確認した。
• バイエクシシトンカスケードを介して偏光もつれ光子対が生成され、崩壊経路の設計された縮退によりもつれが保持された。
• 本手法により、大規模な外部磁場や複雑な材料工学を必要とせず、不完全な量子ドットにおいてももつれ生成が可能となった。