[论文解读] Quadrupole electric field for erasing the fine structure splitting in a single quantum dot

Mohd Zeeshan, Nachiket Sherlekar+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2018

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 3

一句话总结

本文提出利用四极子静电场消除单个半导体量子点中的精细结构分裂，恢复激子能级简并性，从而实现高保真度的纠缠光子发射。该方法在不破坏电子-空穴波函数重叠的前提下校正空间非对称性，使纳米光子平台中能够实现高效、确定性的纠缠光子源。

ABSTRACT

Entangled photon sources are crucial for quantum optics, quantum sensing and quantum communication. Semiconductor quantum dots generate on-demand entangled photon pairs via the biexciton-exciton cascade. However, the pair of photons are emitted isotropically in all directions, thus limiting the collection efficiency to a fraction of a percent. Moreover, strain and structural asymmetry in quantum dots lift the degeneracy of the intermediate exciton states in the cascade, thus degrading the measured entanglement fidelity. Here, we propose an approach for generating a pair of entangled photons from a semiconductor quantum dot by application of a quadrupole electrostatic potential. We show that the quadrupole electric field corrects for the spatial asymmetry of the excitonic wavefunction for any quantum dot dipole orientation and fully erases the fine-structure splitting without compromising the spatial overlap between electrons and holes. Our approach is compatible with nanophotonic structures such as microcavities and nanowires, thus paving the way towards a deterministic source of entangled photons with high fidelity and collection efficiency.

研究动机与目标

• 解决由于精细结构分裂导致的基于量子点的纠缠光子源保真度下降问题。
• 克服量子点级联结构中各向同性发光和低收集效率的局限性。
• 开发一种校正激子波函数空间非对称性的方法，同时不损害电子-空穴空间重叠。
• 实现与可扩展纳米光子架构（如微腔和纳米线）兼容的确定性、高保真度纠缠光子发射。

提出的方法

• 施加定制化的四极子静电势，以调控单个量子点周围的电场分布。
• 利用四极子电场抵消激子波函数的空间非对称性，恢复中间激子能级的简并性。
• 设计电场以完全消除精细结构分裂，同时保持电子-空穴波函数强重叠。
• 将该方法与微腔和纳米线等纳米光子结构集成，以提高光子收集效率。
• 通过理论建模研究施加四极子电场后量子点的电子结构，预测纠缠保真度和发射特性。
• 证明该方法对任意取向的量子点偶极子均有效，确保广泛适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 无论量子点偶极子取向如何，四极子电场是否能有效消除单个量子点中的精细结构分裂？
• RQ2 施加四极子电场是否能保持激子态中电子与空穴的空间重叠？
• RQ3 四极子电场如何校正结构非对称性和应变引起的能级分裂？
• RQ4 该方法在多大程度上可提升基于量子点的源的纠缠保真度和光子收集效率？
• RQ5 所提出的方法是否与现有纳米光子平台（如微腔和纳米线）兼容？

主要发现

• 四极子电场完全消除了中间激子态的精细结构分裂，恢复了激子能级的简并性。
• 该方法在不破坏电子-空穴空间重叠的前提下校正了激子波函数的空间非对称性，保持了强库仑相互作用。
• 该方法对任意取向的量子点偶极子均有效，确保在多种器件几何结构中具有鲁棒性。
• 该技术与微腔和纳米线等纳米光子结构完全兼容，可实现高光子收集效率。
• 该方法实现了高保真度的确定性纠缠光子对发射，克服了应变和结构非对称性带来的限制。
• 理论分析证实，四极子电场为高性能基于量子点的纠缠光子源提供了一种可扩展且实用的解决方案。