[论文解读] 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 4

一句话总结

本文展示了利用耦合光子晶体腔实现对量子点自发辐射的远程全光控制。通过将法布里-珀罗腔的光谱频率调谐至与目标腔共振，局域态密度和品质因数得以改变，从而在不直接扰动发射体的情况下，实现超过三倍的可逆、非局部发射速率调控。

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.

研究动机与目标

• 实现对固态腔中量子点自发辐射的远程、可逆且非侵入式控制。
• 通过耦合腔量子电动力学（CCQED）实现动态控制，以克服局部或永久调谐方法的局限性。
• 证明通过远程腔的光谱调谐，可独立于发射体的直接相互作用，改变布喇格因子和发射速率。
• 在耦合腔系统中验证弱耦合与强耦合 regimes，实现可调谐的光-物质相互作用。
• 为量子信息应用实现超快、全光调制发射时间。

提出的方法

• 采用三振子模型，包含一个量子点（偶极子）、一个目标光子晶体腔和一个远程法布里-珀罗（FP）腔，以描述耦合系统。
• 使用非厄米哈密顿量建模系统，参数包括发射体频率（ω₀）、目标腔（ωₜ, κₜ）、FP腔（ω_FP, κ_FP）以及腔间耦合速率（η）。
• 应用幺正变换（T）对角化哈密顿量，推导出 dressed 态，从而分析能级分裂与场强再分布。
• 通过有效布喇格因子计算修改后的自发辐射速率，考虑发射体位置处品质因数和局域场强的变化。
• 通过热光调谐FP腔长度实现远程控制，实现实时光谱共振于目标腔模式。
• 通过不同腔失谐和耦合条件下的实验测量，验证理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过第二个可调谐光谱的腔，远程控制光子晶体腔中量子点的自发辐射速率？
• RQ2 在不直接扰动发射体的情况下，通过与远程法布里-珀罗腔耦合，发射速率最多可被调节多大程度？
• RQ3 所观测到的发射速率变化是否超过因发射体位置处真空场再分布导致的品质因数变化？
• RQ4 两个腔之间的强耦合与弱耦合在实现大范围发射速率调制中分别起什么作用？
• RQ5 该全光控制方案是否可扩展至超快（皮秒量级）操作，例如采用载流子注入替代热调谐？

主要发现

• 通过远程光学调谐耦合的法布里-珀罗腔，光子晶体腔中量子点的自发辐射速率被调控超过三倍。
• 观测到的发射速率变化超过了品质因数的变化，证实理论预测：发射体位置处真空场的减弱可提升控制效率。
• 实验观测到目标腔与FP腔之间同时存在弱耦合与强耦合 regimes，表明存在相干能量交换与能级分裂。
• 该系统实现了可逆且非局域的控制：调谐FP腔的共振频率可改变有效局域态密度与发射速率，而无需直接修改发射体或目标腔。
• 基于含非厄米项的三振子哈密顿量的理论建模，准确预测了在不同耦合条件下发射速率的动力学行为与模式分裂。
• 该方法具有可扩展性，并可通过载流子注入扩展至超快操作，实现皮秒量级动态控制固态量子系统中的自发辐射。