進展 | 非偶極近似下的p軌道激子與微腔的強耦合

非耦合什麼意思

光與物質的相干相互作用是量子光學網路中的核心部分。光子晶體微腔-量子點耦合系統具有較小的衰減、較小的模式體積以及可以片上整合的特性，因此為固態量子光學網路提供了理想的平臺。而目前對該系統的研究主要集中在量子點的s-shell態上。由於s-shell態的波函式分佈小，因此該系統可以透過偶極近似來描述。但是這導致了微腔-量子點耦合系統中的耦合強度較小。同時由於固態系統的特性，光子晶體微腔的模場分佈很難被調節。雖然電磁場可以影響量子點的波函式，但是s-shell態較小的波函式分佈導致調節效果不明顯。因此，如何實現微腔-量子點耦合系統中耦合強度的增益與高效調控，對深入研究光與物質相互作用和量子光學網路都十分重要。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室許秀來課題組與奈米物理與器件重點實驗室顧長志研究員及光物理重點實驗室金奎娟研究員等合作，在總結過去相關工作的基礎上，在國際上首次提出並實現了微腔-p-shell量子點耦合系統。同時，他們在理論和實驗上證實了該系統處於非偶極近似下，從而首次實現了微腔-量子點耦合系統的增益。其中得到的210μeV的耦合強度，是目前微腔-量子點耦合系統中最大的數值。文章發表在近期的Physical Review Letters上，錢琛江同學為該論文第一作者。

研究人員為了實現非偶極近似下的微腔-量子點耦合系統，生長了一批具有低點密度、大尺寸的量子點樣品。同時透過高精度的微加工過程，製備了具有高品質因子的L3型光子晶體微腔，其Q值可達10000。從光譜上看，這些量子點具有一個基態（s-shell）和至少兩個激發態（p-shell和d-shell）。由於激發態具有大的波函式擴充套件，p-shell的抗磁遠大於s-shell的抗磁，如圖1所示。其中，p-shell還包含一些特別的激子態，其在垂直磁場下具有抗磁反轉的行為，說明這些激子態的波函式有相當一部分擴充套件到了浸潤層之中。在這些特別的激子態上，研究人員觀測到了非偶極近似下的耦合增益。圖2（a）中展示了弱耦合下的結果。在微腔與點弱耦合作用下，激子態的輻射產生Purcell增益，其增益係數由耦合強度與腔膜的失諧決定。我們從實驗資料中提取出了耦合強度的大小，發現了在小磁場下耦合強度隨磁場增加，如圖2（b）所示。此外，研究人員還觀測了強耦合下的結果，如圖3所示。在強耦合下，耦合強度透過對拉比劈裂進行擬合得到，其隨磁場的變化與弱耦合下的結果基本一致。具體機理如圖4所示，由於微腔內場分佈不均勻，當量子點的波函式隨磁場收縮時，波函式所在位置的電場反而會變強。因此，當初始波函式擴充套件足夠大時，系統的耦合強度不會像過去工作中偶極近似下那樣隨磁場單調減小。而是在小磁場下，系統的耦合強度將被增益。從實驗和理論結果中可以看出理論預測、弱耦合和強耦合下的資料相符。該工作將微腔-量子點耦合系統從基態推向高能級態，並且首次實現了耦合強度的增益與高效調控，解決了該系統中耦合強度低且難以調控的問題，對實現可控量子光學網路、量子計算有著重要的意義。

該工作得到了科技部（2016YFA0200400）、國家自然科學基金（11721404、 51761145104、 61675228、61390503）、中科院B類先導專項（XDB07000000、XDB28000000）、中科院前沿科學重點研究專案（QYZDJ-SSWSLH042）、中科院科研儀器裝置研製專案（YJKYYQ20180036）以及中科院創新交叉團隊等專案的支援。

文章連結：

https：//journals。aps。org/prl/abstract/10。1103/PhysRevLett。122。087401

圖1 （a） s-shell在垂直磁場下的磁光光譜。其中包含一個強耦合過程。 （b） p-shell在水平和垂直磁場下的磁光光譜。其中一些峰如①所示，在水平磁場下沒有變化，在垂直磁場下呈現正抗磁。而另一些特別的峰，如②③所示，在水平磁場下可以觀測到抗磁，並且在垂直磁場下呈現出抗磁反轉。

圖2 （a） p-shell激子態在垂直磁場下的抗磁反轉。（b） 根據實驗測得的p-shell激子態強度以及與腔膜的失諧，計算得到的耦合強度隨磁場的變化。

圖3 （a） 3-5T垂直磁場下，光譜隨溫度的變化 （上圖），及其強耦合下反交叉的擬合（下圖）。（b） 4。2K下的抗磁翻轉。（c） 耦合強度隨磁場的變化。黑點為強耦合的資料，灰線為圖2中弱耦合的資料。

圖4 （左） L3型光子晶體微腔的結構示意圖和模場分佈圖。（中）量子點波函式隨著磁場收縮示意圖。（右）耦合強度隨磁場變化。其中圓點為強耦合資料，紅線為圖2中弱耦合下的資料，藍線為偶極近似理論的預測。

編輯：AI

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