首次！中科院物理研究所在光子晶体微腔和量子点的耦合系统中实现双光子Rabi劈裂

光与物质的相干相互作用为量子系统的操控提供了有力的方法，而Rabi振荡就是这样的一个相干过程。Rabi振荡可以实现体系在两个态之间快速的转换，为量子信息处理提供了基础。而且，多光子的Rabi振荡还为多量子比特的操控提供了手段，对固态体系中量子光学、量子计算等有着极其重要的意义。通过光在腔中谐振可以大大提高光与物质的相互作用，因此可以利用微腔实现光子与二能级或多能级体系的Rabi振荡。其中光子晶体微腔具有极高的品质因子(Q)、较小的模式体积以及较强的可调节性和可集成性，从而得到了广泛的研究。而量子点具有激子和双激子态，可以作为一个很好的单光子和双光子光源。因此，量子点和光子晶体微腔的耦合系统可以作为量子光学网络的一个基本单元。

在过去的研究中，由于耦合强度低以及量子点的双激子束缚能较大，对于光子晶体微腔与量子点耦合系统的研究主要局限在单光子过程，向多光子体系的扩展进展缓慢，目前这是该领域非常具有挑战性的研究方向之一。

近日，来自中国科学院物理研究所许秀来课题组及其合作者，从理论和实验上分别对光子晶体微腔和量子点耦合系统的双光子过程进行分析研究，首次实现了双光子Rabi劈裂。相关成果以“Two-Photon Rabi Splitting in a CoupledSystem of a Nanocavity and Exciton Complexes”为题发表在2018年5月的《PhysicalReview Letters》上[1]。

研究人员为了提高耦合强度、降低双激子束缚能，设计并生长了一批具有低点密度，大尺寸的量子点。并通过调整光子晶体微腔两侧空气孔的位置和半径，设计出了具有较高品质因子的有源光子晶体微腔，理论值可达10⁵量级，通过高精度微加工过程制备了具有高品质因子的光子晶体微腔,Q值可达12000，其扫描电子显微镜（SEM）图像如图1（a）所示。然后他们从理论上分析了双光子Rabi劈裂时的能级结构，如图1（b）所示，并建立理论模型，结合量子点和腔的性质，计算出当耦合强度高于82μeV时，开始出现双光子Rabi劈裂。同时他们通过共聚焦系统测量了4.2K下该体系的荧光光谱，利用温度调节量子点能级与微腔共振，观测到了单个量子点中激子和双激子态与微腔的强耦合，耦合强度均为130μeV，实验结果如图2所示。同时由于量子点小的束缚能，微腔能够同时与激子和双激子态耦合，且耦合强度高于该系统下发生双光子劈裂的阈值，而且分析了在该过程中强度与线宽的变化，观测到了两个单光子过程衰减的区域（如图2所示），证明了双光子Rabi劈裂的存在。