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中国科学院物理研究所 L02组供稿 第28期 2018年05月25日
北京凝聚态物理国家研究中心
在光子晶体微腔和量子点的耦合系统中首次实现双光子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基础。而且多光子的Rabi振荡还为多量子比特的操控提供了新的载体,对光量子信息处理具有极其重要的意义,有望实现量子光学网络的节点。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。目前,利用光子晶体微腔与量子点已经实现了微腔与量子点能级的单光子Rabi振荡,但是由于耦合强度低以及量子点的双激子束缚能较大,向多光子体系的扩展进展缓慢,一直是该领域的重点研究方向。近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心许秀来课题组与微加工实验室顾长志研究员及光物理重点实验室金奎娟研究员等合作,在国际上首次利用光子晶体微腔和量子点中多激子的耦合系统实现了双光子Rabi劈裂,文章发表在近期的Physical Review Letters上,钱琛江同学为该论文第一作者。
  为了提高耦合强度、降低双激子束缚能,他们设计并生长了一批具有低点密度、大尺寸的量子点,其能级图如图1(a)所示。他们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Q的光子晶体微腔,理论值可达105量级,并通过高精度微加工过程制备了光子晶体微腔, Q值可达12000,其扫描电子显微镜图像如图1(b)所示。通过共聚焦系统测量了4.2 K下该体系的荧光光谱,利用温度调节实现了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130 μeV,实验结果如图2所示,比同类型的双激子器件的耦合强度提高2倍。同时由于量子点小的双激子束缚能,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(理论分析如图3所示),通过分析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4所示),证明了双光子Rabi劈裂的存在。因此他们在实验上首次利用光子晶体微腔和量子点的耦合系统实现了双光子Rabi劈裂,并且与理论计算的结果符合。他们的工作将微腔和点的强耦合体系由单光子过程推进到多光子过程,为多量子比特的操控提供了手段。
  该工作得到了国家自然科学基金(批准号:11721404, 51761145104, 61675228、国家973计划(批准号:2014CB921003)、中科院B类先导(批准号:XDB07030200,XDPB0803)以及中科院创新交叉团队等项目的资助。
  文章链接:
  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.213901
Fig.1(a) 量子点能级图。其中,XX代表双激子态,X代表激子态,由于精细结构劈裂,X态劈裂为两支,分别为XH, XV。(b)光子晶体微腔的SEM图像。
Fig.2 (a) 不同温度下的荧光光谱。(b)峰值随温度的相对变化关系。虚线表示未耦合系统腔模及量子点随温度的变化。
Fig.3(a) 耦合强度较大时腔-点系统的能级结构图。(b)上图:耦合强度为70μeV和120μeV时,由|XX,0>、|X,1>和|G,2>形成的三个极化激元的本征值随腔模的变化。下图:双光子Rabi劈裂能量随耦合强度的变化。
Fig.4(a) 温度调控的荧光光谱图,其中两个单光子过程的衰减区域如下面的插图所示。(b) g=130 μeV时理论计算的荧光光谱图。插图:双光子劈裂时的线宽变化。(c)在不同温度下,实验上(实线)和理论上(虚线)peak2的线宽变化。(d)在不同温度下三个峰的强度变化。
下载附件>> PhysRevLett.120.213901.pdf
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