[论文解读] Spontaneous-emission rate distributions in photonic crystals controlled by position-dependent local density of states

Ivan S. Nikolaev, Peter Lodahl+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2005

Photonic Crystals and Applications被引用 1

一句话总结

本研究通过测量反蛋白石结构中量子点的衰减速率，实验验证了光子晶体中位置依赖的自发发射速率。观测到的衰减速率对数正态分布——平均速率变化三倍，分布宽度变化六倍——与局域态密度的空间变化直接相关，首次提供了光子带隙材料中位置依赖发射调控的实证证据。

ABSTRACT

We have measured spontaneous emission decay rates from an ensemble of quantum dots in strongly interacting inverse-opal photonic crystals. The decay traces are successfully modelled with a log-normal distribution of decay rates. The most-frequent decay rate varies by a factor of three as a function of the crystal lattice parameter, in agreement with the theoretical photonic density of states. The distribution width varies by a factor of six and can be identified with the spatial variation of the local density of states that is probed by quantum dots at various positions in the unit cell. This is the first experimental evidence for a position-dependent emission rate in photonic crystals.

研究动机与目标

• 研究光子带结构的空间变化如何影响光子晶体中自发发射速率。
• 实验探测光子晶体原胞内不同位置的局域态密度（LDOS）。
• 确定量子点的发射速率分布是否可由位置依赖的LDOS变化解释。
• 利用实验衰减速率测量验证强相互作用光子晶体中LDOS调制的理论预测。

提出的方法

• 将量子点嵌入具有可调晶格参数的反蛋白石光子晶体中，以改变光子带结构。
• 采用时间分辨光致发光光谱测量量子点阵列的自发发射衰减轨迹。
• 将衰减轨迹拟合为对数正态分布，以提取发射速率分布的均值与宽度。
• 通过光子态密度的理论建模，将测得的衰减速率变化与原胞内空间位置相关联。
• 系统性改变晶格参数，实现了在不同光子带隙条件下平均衰减速率变化的映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 当光子晶体的晶格参数变化时，量子点的平均自发发射速率如何变化？
• RQ2 发射速率分布的宽度在多大程度上反映了局域态密度的空间非均匀性？
• RQ3 在强相互作用的光子晶体中，实验衰减速率分布能否通过对数正态分布准确建模？
• RQ4 量子点在光子晶体原胞内的位置与其发射速率之间是否存在直接相关性？
• RQ5 局域态密度在决定光子纳米结构中发射速率变异性的过程中起什么作用？

主要发现

• 随着光子晶体晶格参数的调节，平均自发发射速率变化达三倍，与基于光子态密度的理论预测一致。
• 发射速率分布的宽度变化达六倍，表明局域态密度在原胞内具有强烈的空间依赖性。
• 衰减速率分布可用对数正态函数良好拟合，表明影响发射的局域环境存在乘法性涨落。
• 观测到的速率变化可直接归因于量子点在晶体不同位置探测到的位置依赖的局域态密度。
• 本工作首次提供了光子晶体中位置依赖发射速率的实验证据，证实了LDOS非均匀性的理论模型。