Вакуумное Раби расщепление одной квантовой точки в фотонном кристаллическом нанорезонаторе Выполнили: Тюкачёв Никита (1955), Рахматуллин Сергей(1955), Веренич Анастасия(1955), Тимашова Анастасия(1957)
Проблемы, решаемые в статье Для дальнейшего изучения квантовой физики необходимы опыты и эксперименты. Один из них затрагивает наша статья. Также для проведения опыта, представленного в нашей работе, необходимо было решить ряд проблем. Таких как получение нанорезонатора с наименьшим объёмом и сильное ограничение света. Часть нашей статьи посвящена решению этих и многих других проблем.
Введение Резонатор — колебательная система, в которой происходит накопление энергии колебаний за счёт резонанса с вынуждающей силой. Вакуумное Раби осцилляция(расщепление) это затухающее колебание первоначально возбужденного атома, соединенного с электромагнитным резонатором, в которой атом испускает фотоны поочередно в одномодовом электромагнитном резонаторе и впитывает их. Атом взаимодействует с одномодовым полем ограниченным объемом V в оптическом резонаторе. Спонтанное излучение является следствием связи между атомом и вакуумной флуктуацией поля резонатора. Нормальные колебания или нормальные моды — набор характерных для колебательной системы типов гармонических колебаний.
Основные определения Добротность — свойство колебательной системы, определяющее полосу резонанса и показывающее, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. Эффект Перселла — в квантовой электродинамике увеличение скорости испускания осциллятора в резонаторе по сравнению со скоростью спонтанного излучения в свободное пространство. Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Фотолюминесценция — люминесценция, возбуждаемая светом. Фотонный кристалл — это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях. Квантово-классическая граница – граница между квантовой и классической физикой.
Декогеренция — это процесс нарушения когерентности, вызываемый взаимодействием квантовомеханической системы с окружающей средой посредством необратимого, с точки зрения термодинамики, процесса. Дизайн Нода (Susumi Noda, профессор университета Киото, Япония)- это способ изготовления нанорезонатора, с добротностью 45000 и V = 7. 0*10^(-14) см 3. В основе этого дизайн является осознание того, что свет должен быть ограничен осторожно, чтобы быть сильно ограниченным.
Немного истории Квантовые электродинамические резонаторные (QED) системы позволяют исследование целого ряда фундаментальных квантово-оптических явлений. Такие системы также служат испытательными платформами для квантовой информатики. Исследование вакуумного Раби расщепления захватило внимание ученых с момента первых экспериментов с несколькими атомами в начале 1980 -х годов. После десяти лет постепенного улучшения Q(добротность) оптического резонатора и уменьшения его объема, вакуумное расщепление Раби было получено с одним атомом. Это открыло интересные возможности в области атомной QED. Последовали многие эксперименты. Для такой квантовой системы, оптические свойства меняются при добавлении одного фотона или одного атома, и квантово-классическая граница стала доступной для изучения. Но поскольку атомы могут двигаться и даже убежать, их связи зависят от времени, ясно, что следующей целью было локализовать холодный атом внутри резонатора с помощью атомной ловушки.
О резонаторах Квантовые электродинамические нанорезонаторы(QED резонаторы) – это область изучения взаимодействия света, заключенного в отражающий резонатор, или атомов, или других частиц, в условиях, когда квантовую природа света фотонов является значительной. Это в принципе может быть использовано для построения квантового компьютера. Резонатор с наименьшим V (при сохранении высокой Q) дает сильные связи с меньшим диполем, то есть, точка более квантовая. В наших фотонных кристаллах с нанорезонаторами кремний заменен на арсенид галлия Ga. As для роста квантовых точек. Ограничение в трёхмерном пространстве (квантовая яма) получается изготовлением двумерных треугольных решетчатых фотонных кристаллических плит с тремя отверстиями для формирования прокладки
Рисунок 1. Фотонный кристаллический нанорезонатор. а, график. Половина шестигранной формы массива отверстий, формирующих нанорезонатор; масштаб: 5 мм в поперечнике на срезе. b, Сканирующий электронный микроснимок изготовленного нанорезонатора, показывающий расстояние между отверстиями, диаметр отверстия 2 r, и переход м/д двумя отверстиями на концах «прокладки» , образованный опусканием трёх отверстий. с, Вычисленная величина оптического поля накладываемого на структуру нанорезонаторов. Шкала показывает нормированную амплитуду электрического поля, |E|/max(|E|). Также показаны горизонтальный срез (выше главной панели) и вертикальный срез (слева от главной панели) через центр прокладки.
Сокращение потерь Вертикальные ограничения, достигнутые полным внутренним отражением на пластине воздушнополупроводниковых интерфейсов, несовершенно в том, что свет с небольшими плоскостными волновыми векторами может просачиваться сверху и снизу. Ключ к сокращению этой потери состоит в том, чтобы слегка сдвинуть отверстия к краям обкладки: "Свет должен быть ограничен осторожно для надежности". Другими словами, когда функция оболочки поля резко обрывается, преобразование Фурье имеет большее перекрытие с маленькими плоскостными и волновыми векторами, которые просачиваются; плавное ограничение сокращает эту потерю.
Подготовка к опыту Расчеты напряженности поля в зависимости от положения показывают, что большинство энергии поля ограничивается запретной зоной c объемом V≈(λ 0/n)3≈0, 04 мм 3, где λ 0‒резонансная длина волны света в вакууме. Такой V является типичным значением для большинства параметров диапазонов. Поскольку внутрирезонаторное поле – это стоячая волна, которая колеблется от нуля до максимума каждую четверть длины волны, есть очень ограниченный объем высокой прочности поля, в котором SQD должен быть расположен, чтобы соединение было прочным. Фотолюминесцентные (PL) измерения проводились в криостате из жидкого гелия с регулируемой температурой.
Рисунок 2. Квантовые точки и моды резонатора. а, Поперечное сечение на атомно-силовом микроскопе слоя In. As квантовых точек (QD/КТ) похоже на используемый слой, но без слоев выше. Характерный размер КТ≈25 нм диаметром и высотой 3 -4 нм, а плотность точек составляет 300 -400 мм 2. b, Согласованная фотолюминесценция (PL/ ФЛ) КТ для высокой мощности возбуждения, показывающая, как низкий (1, 175 -1, 250 нм), так и первый возбужденный (1, 100 -1, 150 нм) переходы. c, ФЛ из трех нанорезонаторов с наиболее высокими значениями Q (без поправки на ширину инструмента в ~0, 04 -нм ). Время усреднения: 0, 1 с для двух левых пиков; 0, 5 с ‒ для правого.
Проведение опыта Образцы были накачаны с мощностью 770 nm Ti: сапфировым лазером, работающем в непрерывном режиме(CW). Пучок фокусировался с помощью объектива отражающего микроскопа (с числовой апертурой 0, 5) в пятно размером 1 мм на образец. Образец излучения был собран тем же объективом микроскопа и анализирован с помощью спектрометра, и был обнаружен массив In. Ga. As, интегрированный по 0. 025 nm на пиксель. Мы считаем, что область образца около 10 мм 2 отображенная в спектрометре, приводит к широкой фотолюминесцентной согласованности, лежащей в основе связанных резонаторов на рисунках 3 и 4. В этом рисунке мы используем верхние потери резонатора, чтобы наблюдать фотолюминесценцию от квантовой точки, соединенной с ним. На рисунке 2 б представлен спектр группы PL(фотолюминесценции) с самой низкой линией перехода на 1200 нм, и первое возбужденное состояние линии перехода при 1125 нм. Рисунок 2 c показывает мощные спектры трех самых высоких Q нанорезонаторов.
Рисунок 3. Точечнорезонаторный анти-переход. Температура сканируется от 13 K в верхней части до 29 K в нижней части, с шагом в 1 K. , PL высокой мощности(690 м. Вт) и 0, 2 с (усредненное время); Q<13300. Излучение группы точек на заднем фоне около 8% от пикового излучения резонаторов здесь, и на 50% в рисунке b. Рис b, фотолюминесценция при малой мощности (0, 78 м. Вт) и 60 с. Рис c, две связанные система пиков (черные линии направляющие) строятся как функции температуры, и сравниваются со скоростью несвязанных КТ (красная кривая) и пустых резонаторов (синяя кривая).
Было устойчивое улучшение значений Q, полученных для двумерной фотонной кристаллической плиты нанорезонаторов, изготовленных для лазеров, с квантовыми ямами (Q ¼ 250) или 80 квантовыми точками (Q ¼ 2. 000) в качестве активной среды. SQD сильно привязанных к одному из самых высоких Qрежимов не были найдены. Но немного ниже - Q (13300) моды делают пару к одной квантовой точке, расположенной спектрально на короткой стороне длины волны с самой низкой энергией перехода. При высокой мощности, излучение преобладает в пиковой области, потому что квантовая точка не связана с резонаторами насыщения, то есть, скорость излучения квантовых точек определяет скорость радиационного распада, а не скорость возбуждения. Таким образом, в сочетании точки испускают больше фотонов в единицу времени, чем несвязанные точки, благодаря спонтанному повышению излучения Перселла. Временные разрешения эксперимента будут необходимы, чтобы увидеть быстрый распад связанных точек.
При включении промежуточного питания (25 м W), увеличение абсорбции квантовых точек уменьшает Q до 8000. На малой мощности, можно начать видеть фотолюминесцентные пики от несвязанных КТ(квантовых точек); отметим, что все они движутся вместе таким же образом с температурой, так же как пустые резонаторы, но скорость значительно быстрее этого режима. Таким образом, переход квантовых точек может быть температурно сканирован через резонанс резонатора. Рисунок 3 b показывает анти-пересечение перехода одной квантовой точки в режиме 1, 182. 6 нм. Два нормальных мода отталкиваются друг от друга в непосредственной близости от пересечения красной и синей линии, показывающей температурную зависимость несвязанных квантовых точек и резонирующие моды резонаторов, соответственно. На рис. 3 c, пики двух связанных систем расположены как функция температуры на расширенном масштабе длины волны, при нулевой расстройке, где отцепленные точки и резонансы резонаторов ухудшаются, излучение связанных систем удваивается. Это поведение анти-пересечения характерно для сильных связей, это режим обратимого обмена энергией вперед и назад между квантовыми точками и нанорезонаторами, то есть вакуумными осцилляциями Раби.
На рисунке 4 а показана независимая проверка в более узком диапазоне температур близких к нулю расстройки. Измеренная нулевая расстройка вакуум Раби расщепления это 2 g= 41 ГГц= 170 мэ. В = 0. 192 нм. Рисунок 4 б показывает нулевую расстройку излучения, исходящую из аналитических представлений(28). Существует некоторая неопределенность в значениях K и G, и еще больше в расположении квантовых точек относительно максимума поля. По графику, g=20. 6 Гц, предполагая, что точка находится в области максимума, что соответствует u= 29 D и радиационное время жизни 1. 82 нс (групповые измерения дали 1 -2 нс). Рисунок 4. Точечно-резонаторное вакуум Раби расщепление. a, почти нулевая расстройка фотолюминесцентного спектра (разные с рис. 3, b), показывается двумя пиками излучения. Температура сканирована с шагом 0, 5 K, от 15 K в верхнем до 19, 5 K внизу; 0, 78 м. Вт, а средняя 60 с. b, Расположение аналитического выражения для излучения нулевой расстройки c использованием G = 20, 6 ГГц = 0, 096 нм, к = 42, 3 ГГц = 0, 197 нм, y = 21, 5 ГГц = 0, 1 нм.
Несмотря на ≈107 фотонов в секунду, испускаемых системой при малой мощности, сигнал слабый, потому что большинство из них остаются в слое; наиболее легко они выявляются с помощью волновода, соединённого с нанорезонатором. Если бы мы действительно имели только один SQD, то было бы мало излучения из пика резонатора для точечнорезонаторных расстроек больше, чем g; это происходит из-за высокой плотности слабо связанных квантовых точек. Отметим, что спектр излучения сильно связанной системы в непертурбативном режиме - двойной пик во всех направлениях, в отличие от квантовой ямы плоских микрорезонаторов, которая является двумя пиками в непертурбативном режиме, перпендикулярном направлению одного пика в слабосвязанном режиме 29. Это означает, что энергетическое положение пиков излучения должно быть независимо от обнаруженного направления. Анти-пересечение (рис. 3 b) наблюдалось много раз с циклами температуры. В новом образце, мы видели еще одно ясное анти-пересечение на 1, 214. 3 нм с вакуумным расщеплением Раби 2 g = 22 ГГц. Мы также видели в режиме слабой связи спонтанное повышение излучения Перселла: сканирование температуры показывает резонанс квантовых точек с пересечением полость резонанса, но связи увеличивают радиационную ширину линии.
Мы ожидаем, что наша система точек/нанорезонаторов действительно будет проявлять квантовые свойства, несмотря на то, что линейная спектроскопия не доказала это. Наоборот, несмотря на нормальносвязанные моды, наблюдаемые между одной квантовой ямой и микрорезонатором показывают два пика антипересечения, которые часто называют сильно связанными с помощью системы полупроводников, а на самом деле квазиклассических - как и многие атомы вакуумного расщепления Раби 10. Даже квантовая яма трехмерного микрорезонатора диаметром всего 2 мм все равно требует около 300 фотонов для насыщения вакуумного расщепления Раби; таким образом, она попрежнему полуклассическая, и далека от квантового режима 30.
Заключение Существуют как минимум два преимущества полупроводниковых резонаторов квантовых точек над атомными резонаторами. Во-первых, положение точки фиксируется; способность делать эксперименты с одним и тем же квантовым излучателем необходима для физики и применения в науке квантовой информации. Во-вторых, ультра-малые размеры сильно связанных точек / резонаторов в устройствах , с размером резонаторов >10000 мм-2, позволяет нам рассуждать о квантовой сети, которая была бы в состоянии сохранять, обрабатывать и распространять квантовую информацию. Взаимосвязи будут сделаны из фотонных кристаллических волноводов (отсутствие линий отверстий). Существенным элементом квантовой сети является детерминированная сильная связь одной точки с высокоточным оптико-фотонным кристаллическим резонатором, показанным здесь.
Спасибо за внимание! (Если оно вообще было…)
Скачать презентацию Вакуумное Раби расщепление одной квантовой точки в фотонном
Вакуумное расщипление Раби.pptx