En enkelt fotonemitter deterministisk koblet til en topologisk hjørnetilstand

Udforskning af hulrumskvanteelektrodynamik (cQED) er afgørende for at fremme kvanteteknologi og afsløre de grundlæggende forviklinger af lys-stof-interaktioner. En udbredt strategi involverer at integrere en enkelt kvanteemitter i fotoniske mikrohulrum, der kan prale af højkvalitets (Q) faktorer eller små tilstandsvolumener. Styrken af ​​koblingen i cQED vurderes ofte ved hjælp af Purcell-faktoren, en vital parameter.

Halvlederkvanteprikker (QD'er) i fast tilstand fremstår som lovende kandidater på grund af deres atom-lignende to-energistruktur og kompatibilitet med moderne halvlederfremstillingsprocesser til mikrohulrumsintegration. Udfordringer opstår dog som følge af strukturel uorden eller defekter introduceret under fremstillingsprocessen, hvilket påvirker ydeevnen negativt.

I denne sammenhæng fremstår topologisk optik som en lovende løsning på grund af deres iboende topologiske robusthed. Den topologiske hjørnetilstand af højere orden, der tilbyder en mindre tilstandsvolumen, giver en højere Purcell-faktor eller vakuum Rabi-opdeling, selv med en beskeden Q-faktor.

Ikke desto mindre fortsætter udfordringerne med at koble enkelt QD'er til stærkt afgrænsede topologiske hulrum, primært på grund af den tilfældige rumlige fordeling af QD'er under deres vækstproces. Tidligere forsøg har haft vanskeligheder med at opnå en væsentlig forbedring af lys-stof-interaktioner.

I en nylig udgivelse i Light:Science &Applications , demonstrerer forskerholdet ledet af prof. Ying Yu og prof. Jianwen Dong fra Sun Yat-sen University den indledende deterministiske kobling af en enkelt QD til en topologisk hjørnetilstand. Denne præstation udnytter topologisk robusthed til at modificere strukturen ved at anvende en bredfelt fotoluminescens (PL) billeddannelsesteknik. Gennem resonans observerer de en bemærkelsesværdig Purcell-faktor på 3,7 og polariseret enkeltfotonemission.

Strukturen er udtænkt baseret på 0D-hjørnetilstanden, en karakteristik af en pladetype andenordens topologisk fotonisk krystal (PhC). PhC's båndtopologi stammer fra den kvantiserede kant-dipolære polarisering, markeret af en 2D Zak-fase.

PhC-strukturen vedtager en karakteristisk enhedscelledefinition med et kvadratisk gitter, afbildet af de røde og blå områder i fig. 1a. Følgelig er Zak-faserne, der svarer til hver region, forskellige. Kombination af disse distinkte PhC'er, som vist i fig. 1a, giver anledning til en hjørnetilstand, en konvergens af de to sæt 1D-grænsefladepolarisering, som afbildet i fig. 1b.

I dette hulrum er den enkelte QD imidlertid placeret tæt på den tørætsede overflade, hvilket kan føre til spektral diffusion eller blinkning på grund af kobling med overfladetilstande og ladningsfælder. For at imødegå denne bekymring justeres designet ved at fjerne det midterste lufthul, som vist i fig. 1c.

Da hjørnetilstanden i sagens natur er garanteret af den topologiske egenskab ved kant-dipolar polarisering, forbliver den upåvirket af svage forstyrrelser, såsom det fjernede lufthul. Fig. Id illustrerer hjørnetilstandsprofilen med centerhullet genindsat. Efter genindsættelse af centerhullet forbliver hjørnetilstanden næsten intakt, med en højere Q-faktor, en beskeden tilstandsvolumen og en større afstand (~100 nm) mellem QD og den ætsede overflade.

Eksperimentelt fremstilles det topologiske hulrum deterministisk omkring målet QD ved hjælp af en bredfelt PL billeddannelsesteknik. Fig. 2a–b viser PL-billederne af enheden før og efter hulrumsfremstilling, hvilket tydeligt afslører den målrettede enkelt QD (lyspunkt) i midten af ​​den oprettede hjørnetilstand.

Ved at justere temperaturen finjusteres målet QD over resonansen af ​​hjørnetilstanden, som illustreret i fig. 2c. En Purcell-faktor på ca. 3,7 påvises, når QD'en resonerer med hjørnetilstanden, som vist i fig. 2d. En Hanbury Brown og Twiss korrelationsmåling udføres for at vurdere enkeltfotonens renhed, hvilket indikerer en lav multi-fotonsandsynlighed på g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.

Sammenfattende demonstrerer forskerne den indledende deterministiske kobling af en enkelt QD med en hjørnetilstand, der udnytter topologisk robusthed og præcise positioneringsteknikker. Gennem temperaturjustering opnår de en on-resonans Purcell-faktor på 3,7.

Enheden udviser også polariseret enkelt-fotonemission med en enkelt foton-renhed g(2)(0) så lav som 0,024 ± 0,103. Dette gennembrud udvider potentialet for topologiske faser af højere orden til avancerede applikationer til at manipulere lys-stof-interaktioner på kvanteniveau.

Flere oplysninger: Mujie Rao et al., Enkelt fotonemitter deterministisk koblet til en topologisk hjørnetilstand, Lys:Videnskab og applikationer (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01377-6

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af TranSpread