[论文解读] Strong Purcell enhancement of an optical magnetic dipole transition

Sebastian P. Horvath, Christopher M. Phenicie+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

Quantum optics and atomic interactions被引用 4

一句话总结

该论文展示了在具有立方晶位对称性的MgO基质中，单个Er³⁺离子的光学磁偶极（MD）跃迁实现了显著的Purcell增强。通过利用立方对称性抑制电偶极衰变，使MD跃迁得以隔离。利用磁模场体积小（Vₘ = 0.068 μm³）的纳米光子腔，作者实现了磁Purcell因子Pₘ = 1040 ± 30，明确将增强效应归因于MD通道，并进一步实现了用于光学自旋初始化与读出的自旋-光子接口。

ABSTRACT

Engineering the local density of states with nanophotonic structures is a powerful tool to control light-matter interactions via the Purcell effect. At optical frequencies, control over the electric field density of states is typically used to couple to and manipulate electric dipole transitions. However, it is also possible to engineer the magnetic density of states to control magnetic dipole transitions. In this work, we experimentally demonstrate the optical magnetic Purcell effect using a single rare earth ion coupled to a nanophotonic cavity. We engineer a new single photon emitter, Er$^{3+}$ in MgO, where the electric dipole decay rate is strongly suppressed by the cubic site symmetry, giving rise to a nearly pure magnetic dipole optical transition. This allows the unambiguous determination of a magnetic Purcell factor $P_m=1040 \pm 30$. We further extend this technique to realize a magnetic dipole spin-photon interface, performing optical spin initialization and readout of a single Er$^{3+}$ electron spin. This work demonstrates the fundamental equivalence of electric and magnetic density of states engineering, and provides a new tool for controlling light-matter interactions for a broader class of emitters.

研究动机与目标

• 在可见光至近红外波段实现光学磁偶极跃迁的强Purcell增强，该波段通常以电偶极跃迁为主导。
• 通过利用Er³⁺:MgO中立方晶位对称性，设计出具有近乎纯磁偶极跃迁的单光子发射器，以最小化竞争性的电偶极衰变路径。
• 利用具有小磁模场体积的纳米光子腔，明确识别并量化光学域中磁态密度工程的效果。
• 基于腔增强的磁偶极跃迁，建立可实现单个Er³⁺电子自旋光学初始化与读出的功能性自旋-光子接口。

提出的方法

• 利用基质晶体的立方对称性，将Er³⁺:MgO设计为具有近乎纯磁偶极跃迁的单光子发射器，从而有效抑制电偶极衰变。
• 采用具有小磁模场体积（Vₘ = 0.068 μm³）的纳米光子腔，增强局域磁态密度，诱导Purcell增强。
• 测量单个Er³⁺离子的荧光与吸收光谱，并与晶体场模型对比，以确认跃迁的磁偶极特性。
• 通过包含晶体场与自旋-轨道耦合的哈密顿量，计算磁偶极矩阵元与跃迁速率，预测MD衰变速率为43.23 s⁻¹，寿命为23.1 ms。
• 评估竞争性衰变路径，包括电偶极（ED）与电四极（EQ），以排除ED贡献作为观测到的Purcell增强的来源。
• 利用腔增强的MD跃迁实现光学自旋初始化与读出，以表征单个Er³⁺自旋的基态自旋结构、寿命与相干时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电偶极衰变污染极小的固态系统中，能否实现光学磁偶极跃迁的强Purcell增强？
• RQ2 在纳米光子腔中，磁态密度在多大程度上可被工程化以增强磁偶极发射？
• RQ3 由于立方晶位对称性，MgO基质中的单个Er³⁺离子能否作为近乎纯磁偶极发射器？
• RQ4 观测到的Purcell增强是否主要源于磁偶极发射？能否明确区分其与电偶极或高阶偶极贡献？
• RQ5 能否利用腔增强的磁偶极跃迁实现功能性自旋-光子接口，以实现对单个电子自旋的光学控制与测量？

主要发现

• 由于立方晶位对称性，Er³⁺:MgO系统在1540.48 nm处表现出近乎纯磁偶极跃迁，电偶极衰变被强烈抑制。
• 实验测得磁Purcell因子为Pₘ = 1040 ± 30，证明在纳米光子腔中磁偶极发射速率显著增强。
• 测得的Purcell因子与纯磁偶极发射器的理论预测高度一致，排除了电偶极衰变的显著贡献（小于10%）。
• 电四极衰变速率估计为可忽略不计（1.72 × 10⁻⁵ s⁻¹），确认其对观测增强无显著贡献。
• 腔增强的磁偶极跃迁实现了对单个Er³⁺电子自旋的光学初始化与读出，从而确定了其基态自旋结构与相干时间。
• 结果确立了光学域中电与磁态密度工程在根本上的等价性，并为磁偶极跃迁在量子技术中的应用开辟了新途径。