撰稿 | OSANJU 赵一心
近日，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学纳米物理学与半导体研究组从理论和实验上证明，腔体开关可以用来调整耦合量子点-腔体系统的动态特性。该项研究报告了在一个开关的柱状微腔中，由一组频率选择的量子点产生的超短自发辐射脉冲。这些脉冲显示出非常小的相干长度，对超快无斑点成像具有吸引力。
该文章发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Tailoring the properties of quantum dot-micropillars by ultrafast optical injection of free charge carriers”，E. Peinke，T. Sattler和G.M. Torelly为共同一作，J.M. Gérard为通讯作者。
在纳米光子学蓬勃发展的背景下，光子微结构和纳米结构已成为在固态腔量子电动力学(CQED)实验中定制半导体发射器光学特性的有力工具。对于平面腔中的量子阱，以及与单腔模式耦合的单个量子点(QD)，观察到强耦合机制。在弱耦合状态下，观察到量子点的自发辐射率的增强和抑制。发射器行为的变化是由电磁场模式和发射器-模式耦合的工程设计引起的。
迄今为止绝大多数固态腔量子电动力学实验都是“静态”实验，在自发辐射的整个持续时间内，发射器-模式耦合保持不变。在寻求“动态”固态腔量子电动力学的过程中，几个研究小组最近提出了快速修改发射器-场耦合的策略，原则上可以通过改变发射器相对于光子晶体的带边或离散空腔模式的光谱失谐实现。
法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员对快速控制发射器-腔体失谐的各种方法进行了探索。与静电诱导的斯塔克效应和声波脉冲诱导腔模式的方法相比，全光腔开关提供了一个更快、更通用的手段。使用脉冲激光泵对自由载流子进行光学注入，以改变形成微腔的半导体层的折射率。虽然在几秒的时间尺度上观察到超快的“开关”行为，但由于受到自由载流子重组的制约，模式向其原始频率的弛豫通常较慢。
尽管如此，由于载流子在蚀刻表面的快速非辐射重组，快速扩散出腔模式，或通过工程化的批量非辐射重组率，可以在小型腔中获得100秒以下的“开关”时间常数。这种开关方案非常适用于在弱耦合体系中动态控制量子点-腔体系统。最近研究人员用这种方法证明了光子晶体腔中的量子点的自发辐射率在200皮秒时间尺度上的可逆变化。研究表明，可以利用自由载流子的超快注入在各种情况下来改变腔模式的特性，如腔的频率，Q值，远距离腔之间的耦合和光子交换，或耦合腔系统中的模式场分布。
研究人员使用光谱仪和条纹相机相结合的检测装置，以2秒的时间分辨率平行跟踪腔模式的频率。这种快速而方便的表征方法有助于广泛地研究开关行为与激光泵浦的参数之间的关系。在非均匀载流子注入条件下，使用聚焦的泵浦光束，实验观察到了与模式有关的开关行为。
接着，文章介绍了腔体开关在量子光子学领域的两种可能的应用，并进行了理论建模。通过诱导发射器和腔模式之间的瞬时耦合，可以快速开启和关闭珀塞尔(Purcell)效应。该系统随后产生一个自发辐射脉冲，其持续时间远远短于未耦合发射器的寿命。如图1所示，开关式光学微腔中的人造原子预计以瞬态方式体验珀塞尔效应。
图1 (右图)典型的1微米直径量子点-微柱的扫描电子显微照片以及实验简图，目的是在柱状微腔中切换单个量子点的珀塞尔效应。在t=0时，一个激光脉冲产生自由电荷载流子，既激发量子点，又诱发GaAs折射率的改变，从而使空腔模式产生频移S。(左图)模式频率的时间依赖性。量子点的发射频率属于该模式在其弛豫期间所扫过的频率区间。对于选择的参数，模式和量子点之间的共振耦合发生在20皮秒左右。由于珀塞尔效应，一个几皮秒长的自发辐射脉冲被发射到腔体模式。
然后，研究人员使用腔开关调整量子点和柱状微腔的基本模式之间的耦合，并在几皮秒的时间尺度上进行调整。在这些实验中，一组光谱选择的量子点与基本模式共振，这种方法被用来产生短至6皮秒的脉冲。图2展示了实验的结果，这里研究了一个直径为1.6微米的微柱，比较了不同的频率选择的量子点集合的发射行为。通过在该频率窗口中收集的信号的所有时间的整合，可以直接从条纹相机图像中获得每个窗口中的量子点的时间分辨光致发光曲线。与激光脉冲不同，这些短的自发辐射脉冲显示出非常弱的光谱一致性。
图2 1.6微米直径的开关量子点微柱获得的条纹相机图像，以及在三个频率窗口中收集的光致发光信号的时间曲线。
开关量子点微柱原则上可用于将超高速成像扩展到亚秒级范围。此外，使用最先进的光学微腔，有望实现对单个量子点所发射的无差别单光子的时间包络的塑造。因此，该研究介绍的结果在超高速成像和量子光子学的单光子脉冲整形领域开辟了有趣的前景。
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