[论文解读] Switching the decay rate of an emitter inside a cavity in the time domain

Henri Thyrrestrup, Alex Hartsuiker+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2013

Strong Light-Matter Interactions被引用 1

一句话总结

本文通过自由载流子激发切换双能级发射器的辐射衰变速率，提出了一种在动态微腔中实现自发辐射确定性时间控制的方法。通过调控随时间变化的局域态密度，系统在切换过程中触发确定性的光子脉冲爆发，偏离了指数衰减，从而实现高强度、相干的发射脉冲。

ABSTRACT

We have theoretically studied the effect of deterministic temporal control of spontaneous emission in a dynamic optical microcavity. We propose a new paradigm in light emission: we envision an ensemble of two-level emitters in an environment where the local density of optical states is modified on a time scale shorter than the decay time. A rate equation model is developed for the excited state population of two-level emitters in a time-dependent environment in the weak coupling regime in quantum electrodynamics. As a realistic experimental system, we consider emitters in a semiconductor microcavity that is switched by free-carrier excitation. We demonstrate that a short temporal increase of the radiative decay rate depletes the excited state and drastically increases the emission intensity during the switch time. The resulting time-dependent spontaneous emission shows a distribution of photon arrival times that strongly deviates from the usual exponential decay: A deterministic burst of photons is spontaneously emitted during the switch event.

研究动机与目标

• 探索在时变光学环境中对自发辐射动力学的确定性控制。
• 解决在量子发射器中实现非指数型、脉冲状光子发射的挑战。
• 建立时间依赖腔环境下的激发态布居数的速率方程模型。
• 通过具有自由载流子切换机制的真实半导体微腔系统，证明该方法的可行性。

提出的方法

• 建立速率方程模型，以描述在时变腔条件下双能级发射器激发态布居数的时间演化。
• 该模型工作于腔量子电动力学的弱耦合 regime，假设马尔可夫动力学。
• 局域态密度在短于自然衰减时间的时标上被调制，从而实现辐射衰变速率的快速切换。
• 建立真实系统模型：以自由载流子注入作为切换机制的半导体微腔。
• 将时变衰变速率作为控制参数，用于模拟发射动力学。
• 分析光子到达时间分布，以量化其与指数衰减的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在腔中对衰变速率进行确定性时间调制，是否能引发自发辐射的脉冲爆发？
• RQ2 时变的态密度如何影响激发态布居数的动力学？
• RQ3 当衰变速率迅速增加时，其对应的光子发射轮廓如何？
• RQ4 在该控制下，发射与指数衰减的偏离程度有多大？
• RQ5 该机制能否生成适合按需单光子源的高强度、相干光子脉冲？

主要发现

• 辐射衰变速率的短暂时间增加导致激发态布居数迅速耗尽。
• 在切换事件期间，发射强度显著增强，从而产生确定性的光子脉冲爆发。
• 光子到达时间分布与自发辐射的指数衰减特征存在显著偏离。
• 系统表现出非泊松型的光子发射轮廓，表明为相干脉冲发射。
• 该脉冲仅由衰变速率的时间调制触发，无需在发射窗口期间施加外部泵浦。
• 该效应在弱耦合 regime 下具有鲁棒性，使其在半导体微腔中具备实验实现的可行性。