[论文解读] Quantum dynamics of single-photon detection using functionalized quantum transport electronic channels

Catalin D. Spataru, François Léonard|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2019

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 54被引用 2

一句话总结

本文提出一种基于功能化量子输运通道（如碳纳米管）的纳米尺度单光子探测器。通过将光场、吸收、转换和测量视为完全耦合的量子系统，作者通过时变非平衡量子输运模拟证明，利用动态斯塔克效应实现的动态反作用调控，可实现信噪比（SNR）约为4.5、计数率高达约1 GHz的单光子探测。

ABSTRACT

Single photon detectors have historically consisted of macroscopic-sized materials but recent experimental and theoretical progress suggests new approaches based on nanoscale and molecular electronics. Here we present a theoretical study of photodetection in a system composed of a quantum electronic transport channel functionalized by a photon absorber. Notably, the photon field, absorption process, transduction mechanism, and measurement process are all treated as part of one fully-coupled quantum system, with explicit interactions. Using non-equilibrium, time-dependent quantum transport simulations, we reveal the unique temporal signatures of the single photon detection process, and show that the system can be described using optical Bloch equations, with a new non-linearity as a consequence of time-dependent detuning caused by the backaction from the transport channel via the dynamical Stark effect. We compute the photodetector signal-to-noise ratio and demonstrate that single photon detection at high count rate is possible for realistic parameters by exploiting a novel non-equilibrium control of backaction.

研究动机与目标

• 开发一种理论框架，用于在量子输运通道功能化光吸收体的纳米电子系统中实现单光子探测。
• 解决光吸收分子与输运通道耦合时，在连续测量中量子反作用带来的挑战。
• 在完全量子力学、非平衡条件下，展示高性能单光子探测，具备高计数率和高信噪比（SNR）。
• 表明系统动力学可通过引入动态斯塔克效应导致的时间依赖失谐项的改进光学布洛赫方程来描述。

提出的方法

• 采用基于Keldysh非平衡格林函数（NEGF）形式的非平衡、时变量子输运模拟，以建模光吸收体与输运通道的耦合系统。
• 将吸收体建模为具有两个电子态（基态与激发态）的双原子系统，并在激发时具有偶极矩，使用代表真实分子的紧束缚参数。
• 通过Ohno参数化方式引入吸收体与输运通道之间的库仑相互作用，不涉及电荷转移，以描述对通道的静电反作用。
• 将入射单光子相干态脉冲置于强聚焦区域，其空间和光谱特性与吸收体的偶极矩相匹配。
• 推导出具有时间依赖失谐项的有效光学布洛赫方程（OBEs），该失谐项源于输运电流反作用引起的动态斯塔克移位。
• 通过Landauer透射率与电流涨落分析计算信噪比（SNR），并引入非平衡效应的修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米尺度、功能化量子输运通道能否以高保真度和高计数率探测单光子？
• RQ2 在光-物质耦合系统中，连续电流测量引起的量子反作用如何影响探测过程？
• RQ3 在时间依赖失谐引起的非线性作用下，系统动力学在多大程度上可由改进的光学布洛赫方程来描述？
• RQ4 在实际参数条件下，单光子探测的可实现信噪比（SNR）是多少？系统能否支持GHz量级运行？
• RQ5 超越哈特ree近似水平的电子关联效应如何影响SNR与探测性能？

主要发现

• 由于光子吸收、相干耦合与反作用之间的相互作用，系统在电流响应中表现出独特的时域特征，这些特征被时变模拟所捕捉。
• 系统动力学可通过引入由动态斯塔克效应引起的时间依赖失谐项的光学布洛赫方程良好描述。
• 对于具有N = 7个通道位点且参数优化的系统，实现了约4.5的信噪比（SNR），表明具备高保真度探测能力。
• 单光子探测的计数率可达约1 GHz，其上限仅受激发态辐射寿命（τrad = 1 ns）限制，该时间决定了自然复位时间。
• 超越哈特ree近似水平的电子关联效应对SNR的净影响可忽略不计（小于5%），这是由于通道反作用与吸收体准粒子能级重正化之间的相互抵消所致。
• 由于屏蔽效应，系统对光学带隙的重正化具有鲁棒性，因为吸收体的光学带隙（7.5 eV）远大于通道带宽（~2 eV）。