Управление частотами фотонов, излучаемых одиночной квантовой точкой в одномерном фотонном кристалле

Гарифуллин А.И., Гайнутдинов Р.Х., Хамадеев М.А.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Гарифуллин А.И., Гайнутдинов Р.Х., Хамадеев М.А. Управление частотами фотонов, излучаемых одиночной квантовой точкой в одномерном фотонном кристалле // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 6. С. 67–77. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-06-67-77

Garifullin A.I., Gainutdinov R.Kh., Khamadeev M.A. Controlling the frequencies of photons emitted by a single quantum dot in a one-dimensional photonic crystal [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 6. P. 67–77. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-06-67-77

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Одиночная квантовая точка из InAs в одномерном фотонном кристалле на основе GaAs. Цель работы. Разработка метода управления частотами фотонов, излучаемых одиночной квантовой точкой в одномерном фотонном кристалле, на основе эффекта изменения электромагнитной массы электрона в фотонно-кристаллической среде. Метод. В основе предлагаемого метода лежит эффект изменения электромагнитной массы электрона в среде фотонного кристалла. Он проявляет себя в виде поправок к энергетическим уровням электронов, зависящих от оптической плотности среды. Для управления последней предлагаем использовать инжекцию свободных носителей заряда и квадратичный электрооптический эффект Керра. Основные результаты. На примере квантовых переходов между p- и s-состояниями водородоподобной квантовой точки из InAs, помещённой в пустоты одномерного фотонного кристалла из GaAs, была показана принципиальная возможность управления in situ частотами фотонов, излучённых квантовой точкой. Это возможно на основе эффекта изменения электромагнитной массы электрона, а также настройки показателя преломления фотонного кристалла с помощью инжекции свободных носителей заряда и электрооптического эффекта Керра. Расчёты, проведённые для описанных выше условий, показали, что диапазон управления энергией фотонов, доступный в эксперименте, оказывается мал (несколько десятков микроэлектронвольт), чтобы использовать его на практике, и эффект смещения уступает по порядку величины таковому, уже наблюдавшемуся в эксперименте. Вместе с тем, обращаем внимание на то, что величина смещения энергетических уровней под действием исследуемого квантово-электродинамического эффекта квадратично зависит от показателя преломления материала, из которого изготовлен фотонный кристалл. Следовательно, ожидаем, что описанный здесь метод будет существенно масштабирован по мере роста оптической плотности вещества. Такие фотонные кристаллы могут быть получены на основе метаматериалов с высоким показателем преломления. Практическая значимость. Полученные в работе результаты разработки метода управления частотами фотонов, излучаемых одиночной квантовой точкой в одномерном фотонном кристалле, послужат основой для реализации интерфейса фотон-излучатель, который содержит ключевые квантовые функциональные возможности, такие как фотонные кубиты, однофотонные источники оптического издучения, а также нелинейные квантовые фотон-фотонные вентили.

Ключевые слова:

фотонные кристаллы, квантовые точки, электромагнитная масса электрона, квантовая электродинамика, эффект Керра

Благодарность:

работа финансировалась за счёт средств программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» Казанского федерального университета при Правительстве Российской Федерации.

Коды OCIS: 230.5298, 230.5590, 020.5580, 190.3270

Список источников:

1. Krasheninnikov A.V., Openov L.A. Elementary quantumdot gates for single-electron computing // JETP Lett. 1996. V. 64. P. 231–236. https://doi.org/10.1134/1.567180

2. O'Brien J.L., Furusawa A., Vučković J. Photonic quantum technologies // Nature Photon. 2009. V. 3. № 12. P. 687–695. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.229
3. Heindel T., Kim J.H., Gregersen N. et al. Quantum dots for photonic quantum information technology // Adv. Opt. Photonics. 2023. V. 15. № 3. P. 613–738. https://doi.org/10.1364/AOP.490091
4. Рахлин М.В., Беляев К.Г., Сорокин С.В. и др. Однофотонный источник при 80 K на основе диэлектрической наноантенны с CdSe/ZnSe-квантовой точкой // Письма в ЖЭТФ. 2018. Т. 108. № 3. С. 201–205. https://doi.org/10.1134/S0370274X18150109
5. Senellart P., Solomon G., White A. High-performance semiconductor quantum-dot single-photon sources // Nature Nanotech. 2017. V. 12. № 11. P. 1026–1039. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.218
6. Lee C.M., Buyukkaya M.A., Aghaeimeibodi S. et al. A fiber-integrated nanobeam single photon source emitting at telecom wavelengths // Appl. Phys. Lett. 2019. V. 114. № 17. P. 171101(1–5). https://doi.org/10.1063/1.5089907
7. Uppu R., Midolo L., Zhou X. et al. Quantum-dot-based deterministic photon–emitter interfaces for scalable photonic quantum technology // Nature Nanotech. 2021. V. 16. № 12. P. 1308–1317. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00965-6
8. Гайнутдинов Р.Х., Набиева Л.Я., Гарифуллин А.И. и др. Эффекты сильного взаимодействия в спектрах излучения квантовой точки, связанной с фононным резервуаром // Письма в ЖЭТФ. 2021. Т. 114. № 4. С. 221–227. https://doi.org/10.31857/S1234567821160047
9. Livache C., Martinez B., Goubet N. et al. A colloidal quantum dot infrared photodetector and its use for intraband detection // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 2125(1–10). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10170-8
10. Еремчев И.Ю., Еремчев М.Ю., Наумов А.В. Многофункциональный люминесцентный наноскоп дальнего поля для исследования одиночных молекул и квантовых точек (к 50-летию Института спектроскопии РАН) // УФН. 2019. Т. 189. № 3. С. 312–322. https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.06.038461
11. Hosokawa H., Tamaki R., Sawada T. et al. Solution-processed intermediate-band solar cells with lead sulfide quantum dots and lead halide perovskites // Nature communications // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 43(1–8). https://doi.org/10.1038/s41467-018-07655-3
12. Вишератина А.К., Мартыненко И.В., Орлова А.О. и др. Исследование биосовместимых комплексов квантовых точек ZnS, допированных ионами Mn2+, с хлорином Е6 // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 8. С. 31–37.
13. Faraon A., Majumdar A., Englund D. et al. Integrated quantum optical networks based on quantum dots and photonic crystals // New J. Phys. 2011. V. 13. № 5. P. 055025(1–13). https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/5/055025
14. Yu Y., Xue W., Semenova E. et al. Demonstration of a self-pulsing photonic crystal Fano laser // Nat. Photonics. 2017. V. 11. № 2. P. 81–84. https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.248
15. Chuprina I.N., Kalachev A.A. Generating frequency-bin qubits via spontaneous four-wave mixing in a photonic molecule // Phys. Rev. A. 2019. V. 100. № 4. P. 043843(1–7). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.100.043843
16. Lermer M., Gregersen N., Dunzer F. et al. Bloch-wave engineering of quantum dot micropillars for cavity quantum electrodynamics experiments // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108. № 5. P. 057402(1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.057402
17. Wei Y., Zhao T., Yao B. et al. Bright and highly-polarized single-photon sources in visible based on droplet-epitaxial GaAs quantum dots in photonic crystal cavities // Opt. Mater. Express. 2020. V. 10. № 1. P. 170–177. https://doi.org/10.1364/OME.379424
18. Gainutdinov R.Kh., Khamadeev M.A., Salakhov M.Kh. Electron rest mass and energy levels of atoms in the photonic crystal medium // Phys. Rev. A. 2012. V. 85. № 5. P. 053836(1–7). https://doi.org/10.1103/Phys RevA. 85.053836
19. Mondia J.P., Tan H.W., Linden S. et al. Ultrafast tuning of two-dimensional planar photonic-crystal waveguides via free-carrier injection and the optical Kerr effect // JOSA B. 2005. V. 22. № 11. P. 2480–2486. https://doi.org/10.1364/JOSAB.22.002480
20. John S., Wang J. Quantum optics of localized light in a photonic band gap // Phys. Rev. B. 1991. V. 43. № 16. P. 12772–12789. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.43.12772

21. Wang X.H., Kivshar Y.S., Gu B.Y. Giant lamb shift in photonic crystals // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. № 7. P. 073901(1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett. 93.073901
22. Gainutdinov R.Kh., Garifullin A.I., Khamadeev M.A. et al. Quantum electrodynamics in photonic crystals and controllability of ionization energy of atoms // Phys. Lett. A. 2021. V. 404. P. 127407(1–7). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2021.127407
23. Lee S. Colloidal superlattices for unnaturally high-index metamaterials at broadband optical frequencies // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 28170(1–12). https://doi.org/10.1364/OE.23.028170
24. Kim R., Chung K., Kim J.Y. et al. Metal nanoparticle array as a tunable refractive index material over broad visible and infrared wavelengths // ACS Photonics. 2018. V. 5. P. 1188–1195. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b01497
25. Cohen-Tannoudji C., Dupont-Roc J., Grynberg G. Atom-photon interactions, basic processes and applications. Weinheim: WILEY Interscience, 2004. 656 p.
26. Schweber S.S. An introduction to relativistic quantum field theory. New York: Courier, 2011. 905 p.
27. Skorobogatiy M., Yang J. Fundamentals of photonic crystal guiding. New York: Cambridge University Press, 2009. 267 p.
28. Richter M., Carmele A., Sitek A. et al. Few-photon model of the optical emission of semiconductor quantum dots // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. № 8. P. 087407(1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.087407
29. Diakite Y.I., Malozovsky Y., Bamba C.O. et al. First principle calculation of accurate electronic and related properties of zinc blende Indium Arsenide (zb-InAs) // Materials. 2022. V. 15. № 10. P. 3690(1–14). https://doi.org/10.3390/ma15103690
30. Flugge S. Practical quantum qechanics. New York: Springer, 2011. 636 p.
31. Hu X., Zhang Q., Liu Y. et al. Ultrafast three-dimensional tunable photonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. № 13. P. 2518–2520. https://doi.org/10.1063/1.1615309
32. Hartsuiker A., Harding P.J., Nowicki-Bringuier Y.R. et al. Kerr and free carrier ultrafast all-optical switching of GaAs/AlAs nanostructures near the three photon edge of GaAs // J. Appl. Phys. 2008. V. 104. № 8. P. 083105. https://doi.org/10.1063/1.3000098

33. Morita K., Takahashi T., Kanbara T. et al. Large optical Kerr signal of GaAs/AlAs multilayer cavity with InAs quantum dots embedded in strain-relaxed barriers // Physica E: Low-dimensional systems and nanostructures. 2010. V. 42. № 10. P. 2505–2508. https://doi.org/10.1016/j.physe.2009.12.035
34. Rivoire K., Buckley S., Majumdar A. et al. Fast quantum dot single photon source triggered at telecommunications wavelength // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. № 8. P. 083105. https://doi.org/10.1063/1.3556644
35. Ramsay A. A review of the coherent optical control of the exciton and spin states of semiconductor quantum dots // Semicond. Sci. Technol. 2010. V. 25. № 10. P. 103001(1–23). https://doi.org/10.1088/0268-1242/25/10/103001
36. Aspnes D., Kelso S., Logan R. et al. Optical properties of AlxGa1–xAs // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. № 2. P. 754–767. https://doi.org/10.1063/1.337426
37. Skauli T., Kuo P.S., Vodopyanov K.L. et al. Improved dispersion relations for GaAs and applications to nonlinear optics // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. P. 6447–6455. https://doi.org/10.1063/1.1621740
38. Kim H., Shen T.C., Sridharan D. et al. Magnetic field tuning of a quantum dot strongly coupled to a photonic crystal cavity // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. № 9. P. 091102(1–3). https://doi.org/10.1063/1.3562344
39. Aghaeimeibodi S., Lee C.M., Buyukkaya M.A. et al. Large stark tuning of InAs/InP quantum dots // Appl. Phys. Lett. 2019. V. 114. № 7. P. 071105(1–4). https://doi.org/10.1063/1.5082560
40. Katsumi R., Ota Y., Osada A. et al. In situ wavelength tuning of quantum-dot single-photon sources integrated on a CMOS-processed silicon waveguide // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. № 4. P. 041103(1–5). https://doi.org/10.1063/1.5129325