P轨道激子与光子晶体微腔的强耦合- 大数跨境

两江科技评论

2019-03-01

导读：中国科学院物理研究所研究人员首次实现了非偶极近似下的光子晶体微腔与量子点p-shell激子强耦合系统，同时通过磁场实现了对耦合强度的增益与高效调控，实验观测到的耦合强度是目前该强耦合体系的最高值。

导读

最近，中国科学院物理研究所研究人员首次实现了非偶极近似下的光子晶体微腔与量子点p-shell激子强耦合系统，同时通过磁场实现了对耦合强度的增益与高效调控，实验观测到的耦合强度是目前该强耦合体系的最高值。他们的工作将微腔-量子点耦合系统从量子点的s-shell推进到p-shell，解决了该系统中耦合强度小并且难以调控的问题，对实现可控量子光学网络、量子计算有着重要的意义。

背景

光与物质的相干相互作用是量子光学网络中的核心部分。光子晶体微腔-量子点耦合系统具有较小的衰减、较小的模式体积以及可以片上集成的特性，因此为固态量子光学网络提供了理想的平台。而目前对该系统的研究主要集中在量子点的s-shell态上。由于s-shell态的波函数分布小，因此该系统可以通过偶极近似来描述。然而这导致了微腔-量子点耦合系统中的耦合强度较小。同时由于固态系统的特性，光子晶体微腔的模场分布很难被调节。而磁场可以影响量子点的波函数，因此可以用于系统耦合强度的调控。但是，s-shell态较小的波函数分布导致调节效果不明显。因此，如何实现微腔-量子点耦合系统中耦合强度的增益与高效调控，对进一步推进光与物质相互作用的研究及实现量子光学网络的应用十分重要。

创新研究

近日，中国科学院物理研究所许秀来课题组，提出并实现了微腔-p-shell量子点耦合系统。他们在理论和实验上研究并证实了非偶极近下微腔-p-shell量子点耦合系统的强耦合。由于非偶极近似的特性，该系统的耦合强度在磁场下得到了显著的增益。其中得到的210μeV的耦合强度，是目前微腔-量子点耦合系统中的最大值。相关成果以“Enhanced Strong Interaction between Nanocavities and p-shell Excitons Beyond the Dipole Approximation”为题发表在2019年3月的《Physical Review Letters》上。

研究人员为了实现非偶极近似下的微腔-量子点耦合系统，生长了一批具有低点密度，大尺寸的量子点样品。同时通过高精度的微加工制备了具有高品质因子的L3型光子晶体微腔，其Q值可达10000以上。从光谱上看，这些量子点具有一个基态（s-shell）和至少两个激发态（p-shell和d-shell）。由于大的波函数扩展，p-shell的抗磁远大于s-shell的抗磁，如图1所示。其中，p-shell还包含一些特殊的激子态，在垂直磁场下发生抗磁反转，说明这些激子态的波函数有相当一部分扩展到了浸润层之中。在这些特殊的激子态上，研究人员观测到了非偶极近似下的耦合增益。图2(a)中展示了弱耦合下的结果。弱耦合下，激子态的辐射产生Purcell增益，其增益系数由耦合强度与腔膜的失谐决定。我们从实验数据中提取出了耦合强度，发现了在小磁场下耦合强度随磁场增加，如图2(b)所示。此外，研究人员还观测了强耦合下的结果，如图3所示，明显看到耦合强度随磁场变化，且在3.5T左右实现了耦合强度的最大值。具体机理如图4所示，由于微腔内电场分布不均匀，当量子点的波函数随磁场收缩时，波函数所在位置的电场反而会变强。因此，当初始波函数扩展足够大时，系统的耦合强度也不会像过去工作中偶极近似下那样随磁场单调减小。而是在小磁场下，系统的耦合强度将被提升。从结果中可以得出理论预测、弱耦合和强耦合下的数据互相符合。该工作将微腔-量子点耦合系统从基态推向高能级态，并且首次实现了耦合强度的增益与高效调控，解决了该系统中困扰已久的问题，对实现可控量子光学网络、量子计算有着重要的意义。