Wetenschap
Een enkele fotonenemitter die deterministisch is gekoppeld aan een topologische hoektoestand
Het onderzoeken van de quantum-elektrodynamica (cQED) is van cruciaal belang voor de vooruitgang van de kwantumtechnologie en het ontrafelen van de fundamentele ingewikkeldheden van licht-materie-interacties. Een gangbare strategie omvat het integreren van een enkele kwantumzender in fotonische microholtes met hoogwaardige (Q) factoren of kleine modusvolumes. De sterkte van de koppeling in cQED wordt vaak beoordeeld aan de hand van de Purcell-factor, een cruciale parameter.
Halfgeleider-kwantumdots (QD's) in de vaste toestand komen naar voren als veelbelovende kandidaten vanwege hun atoomachtige twee-energiestructuur en compatibiliteit met hedendaagse halfgeleiderfabricageprocessen voor integratie van microholtes. Er ontstaan echter problemen door structurele wanorde of defecten die tijdens het fabricageproces worden geïntroduceerd en die de prestaties negatief beïnvloeden.
In deze context komt topologische optica naar voren als een veelbelovende oplossing vanwege hun intrinsieke topologische robuustheid. De topologische hoektoestand van hogere orde, die een kleiner modusvolume biedt, levert een hogere Purcell-factor of vacuüm-Rabi-splitsing op, zelfs met een bescheiden Q-factor.
Niettemin blijven er uitdagingen bestaan bij het koppelen van afzonderlijke QD's aan zeer beperkte topologische holtes, voornamelijk als gevolg van de willekeurige ruimtelijke verdeling van QD's tijdens hun groeiproces. Eerdere pogingen stuitten op moeilijkheden bij het bereiken van een aanzienlijke verbetering van de interacties tussen licht en materie.
In een recente publicatie in Light:Science &Applications demonstreert het onderzoeksteam onder leiding van prof. Ying Yu en prof. Jianwen Dong van de Sun Yat-sen Universiteit de initiële deterministische koppeling van een enkele QD aan een topologische hoektoestand. Deze prestatie maakt gebruik van topologische robuustheid om de structuur te wijzigen, waarbij gebruik wordt gemaakt van een wide-field fotoluminescentie (PL) beeldvormingstechniek. Door middel van resonantie observeren ze een opmerkelijke Purcell-factor van 3,7 en gepolariseerde emissie van afzonderlijke fotonen.
De structuur is ontworpen op basis van de 0D-hoektoestand, een kenmerk van een plaatvormig topologisch fotonisch kristal van de tweede orde (PhC). De bandtopologie van de PhC komt voort uit de gekwantiseerde dipolaire polarisatie aan de rand, gemarkeerd door een 2D Zak-fase.
De PhC-structuur neemt een onderscheidende eenheidsceldefinitie aan met een vierkant rooster, weergegeven door de rode en blauwe gebieden in figuur la. Bijgevolg verschillen de Zak-fasen die overeenkomen met elke regio. Het combineren van deze verschillende PhC's, zoals weergegeven in figuur 1a, geeft aanleiding tot een hoektoestand, een convergentie van de twee sets van 1D-interfacepolarisatie, zoals weergegeven in figuur 1b.
In deze holte wordt de enkele QD echter dicht bij het droog geëtste oppervlak geplaatst, wat kan leiden tot spectrale diffusie of knipperen als gevolg van koppeling met oppervlaktetoestanden en ladingsvallen. Om dit probleem aan te pakken, is het ontwerp aangepast door het middelste luchtgat te elimineren, zoals geïllustreerd in figuur 1c.
Omdat de hoektoestand inherent wordt gegarandeerd door de topologische eigenschap van dipolaire randpolarisatie, blijft deze onaangetast door zwakke verstoringen, zoals het verwijderde luchtgat. Figuur 1d illustreert het hoekprofiel met het centrale gat hersteld. Na het herstellen van het centrale gat blijft de hoektoestand vrijwel intact, met een hogere Q-factor, een bescheiden modusvolume en een grotere afstand (~100 nm) tussen de QD en het geëtste oppervlak.
Experimenteel wordt de topologische holte deterministisch rond de doel-QD gefabriceerd met behulp van een wide-field PL-beeldvormingstechniek. Vijgen. 2a-b toont de PL-beelden van het apparaat voor en na de vervaardiging van de caviteit, waarbij duidelijk de beoogde enkele QD (lichtpuntje) in het midden van de gecreëerde hoekstatus zichtbaar wordt.
Door de temperatuur aan te passen, wordt de doel-QD nauwkeurig afgestemd over de resonantie van de hoektoestand, zoals geïllustreerd in figuur 2c. Een Purcell-factor van ongeveer 3,7 wordt gedemonstreerd wanneer de QD resoneert met de hoektoestand, zoals weergegeven in figuur 2d. Er wordt een correlatiemeting van Hanbury Brown en Twiss uitgevoerd om de zuiverheid van een enkel foton te beoordelen, wat wijst op een lage waarschijnlijkheid van meerdere fotonen van g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.
Samenvattend demonstreren de onderzoekers de initiële deterministische koppeling van een enkele QD met een hoektoestand, waarbij gebruik wordt gemaakt van topologische robuustheid en nauwkeurige positioneringstechnieken. Door temperatuurafstemming bereiken ze een Purcell-factor op resonantie van 3,7.
Het apparaat vertoont ook gepolariseerde emissie van enkele fotonen met een zuiverheid van enkele fotonen g(2)(0) van slechts 0,024 ± 0,103. Deze doorbraak vergroot het potentieel van topologische fasen van hogere orde voor geavanceerde toepassingen bij het manipuleren van licht-materie-interacties op kwantumniveau.