[论文解读] Long-Distance Coupling and Energy Transfer between Exciton States in Magnetically Controlled Microcavities

Maciej Ściesiek, Krzysztof Sawicki+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 64被引用 23

一句话总结

该论文通过极化子介导的耦合，在耦合微腔系统中实现了超过2.15 µm的激子态之间磁控、远距离能量转移。通过调节磁场，使Mn掺杂量子阱中的激子能级相对于非磁性阱发生偏移，从而在四能级极化子系统中利用强光-物质耦合，实现能量流方向的可逆控制。

ABSTRACT

Coupling of quantum emitters in a semiconductor relies, generally, on short-range dipole-dipole or electronic exchange type interactions. Consistently, energy transfer between exciton states, that is, electron-hole pairs bound by Coulomb interaction, is limited to distances of the order of 10~nm. Here, we demonstrate polariton-mediated coupling and energy transfer between excitonic states over a distance exceeding 2~$\mu$m. We accomplish this by coupling quantum well-confined excitons through the delocalized mode of two coupled optical microcavities. Use of magnetically doped quantum wells enables us to tune the confined exciton energy by the magnetic field and in this way to control the spatial direction of the transfer. Such controlled, long-distance interaction between coherently coupled quantum emitters opens possibilities of a scalable implementation of quantum networks and quantum simulators based on solid-state, multi-cavity systems.

研究动机与目标

• 实现空间分离的激子态之间超越10 nm Förster极限的远距离能量转移。
• 通过外加磁场实现对能量转移方向的控制。
• 利用耦合微腔实现可扩展的固态平台，用于量子模拟器和量子网络。
• 通过四能级混合系统中的离域光子模式，利用极化子介导的耦合。

提出的方法

• 采用双耦合微腔结构，利用半透明布拉格反射镜将两个微腔分隔开。
• 引入非磁性（Cd,Zn）Te和半磁性（Cd,Mn,Zn）Te量子阱，以实现对激子能级的磁调制。
• 利用强光-物质耦合形成涉及激子和离域腔模的四能级极化子系统。
• 在法拉第几何中施加磁场，调节Mn掺杂阱中的塞曼分裂，使激子能级相对于非磁性阱发生偏移。
• 通过测量磁质和面内动量相关的光致发光光谱，绘制极化子色散关系和能量转移特性。
• 采用四振子哈密顿量模型（公式1）描述混合系统，并计算Hopfield系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过极化子介导的耦合将激子态之间的能量转移扩展至超越10 nm Förster极限？
• RQ2 能否通过外加磁场可逆地控制空间分离的量子阱之间能量转移的方向？
• RQ3 在固态微腔系统中，相干能量转移的空间范围能在多大程度上得到增强？
• RQ4 激子态与光子态的混合如何在四能级极化子系统中实现长程耦合？

主要发现

• 实现了2.15 µm距离的激子态之间能量转移，超过典型10 nm Förster极限两个多数量级。
• 磁场调制实现了能量转移方向的可逆控制：在Bcrit以下，能量从非磁性阱流向Mn掺杂阱；在Bcrit以上则方向反转。
• 光致发光图谱显示出明显的反交叉和模式混合，证实了强耦合以及四能级极化子系统的形成。
• Hopfield系数分析表明，低磁场下最低能级极化子态（第1级）主要来自非磁性量子阱，而在高磁场下则转向Mn掺杂阱。
• 该系统表现出高效、可逆的磁场可调能量转移，其发射强度和偏振依赖性证实了这一点。
• 基于四振子哈密顿量的理论建模成功再现了观测到的色散关系和磁场依赖的能级演化。