Att utforska kavitetskvantelektrodynamik (cQED) är avgörande för att utveckla kvantteknologin och reda ut de grundläggande krångligheterna i interaktioner mellan ljus och materia. En utbredd strategi involverar att integrera en enda kvantemitter i fotoniska mikrohåligheter med högkvalitativa (Q) faktorer eller små modvolymer. Styrkan hos kopplingen i cQED bedöms ofta med Purcell-faktorn, en viktig parameter.

Halvledarkvantprickar (QDs) i solid state framstår som lovande kandidater på grund av deras atomliknande tvåenergistruktur och kompatibilitet med samtida halvledartillverkningsprocesser för mikrokavitetsintegrering. Men utmaningar uppstår på grund av strukturella störningar eller defekter som introduceras under tillverkningsprocessen, vilket påverkar prestanda skadligt.

I detta sammanhang framstår topologisk optik som en lovande lösning på grund av sin inneboende topologiska robusthet. Den högre ordningens topologiska hörntillståndet, som erbjuder en mindre modvolym, ger en högre Purcell-faktor eller vakuum Rabi-delning, även med en blygsam Q-faktor.

Ändå kvarstår utmaningar med att koppla enstaka QDs till mycket begränsade topologiska håligheter, främst på grund av den slumpmässiga rumsliga fördelningen av QDs under deras tillväxtprocess. Tidigare försök har haft svårigheter att uppnå en betydande förbättring av interaktioner mellan ljus och materia.

I en nyligen publicerad publikation i Light:Science &Applications , forskargruppen ledd av prof. Ying Yu och prof. Jianwen Dong från Sun Yat-sen University demonstrerar den initiala deterministiska kopplingen av en enda QD till ett topologiskt hörntillstånd. Denna prestation utnyttjar topologisk robusthet för att modifiera strukturen, genom att använda en bildteknik för bredfältsfotoluminescens (PL). Genom resonans observerar de en anmärkningsvärd Purcell-faktor på 3,7 och polariserad enfotonemission.

Strukturen är utformad baserat på 0D-hörntillståndet, en egenskap hos en andra ordningens topologisk fotonisk kristall (PhC) av skivtyp. PhC:s bandtopologi härrör från den kvantiserade kantdipolära polariseringen, markerad av en 2D Zak-fas.

PhC-strukturen antar en distinkt enhetscelldefinition med ett kvadratiskt gitter, avbildat av de röda och blå områdena i Fig. 1a. Följaktligen skiljer sig Zak-faserna som motsvarar varje region. Kombination av dessa distinkta PhCs, som visas i Fig. 1a, ger upphov till ett hörntillstånd, en konvergens av de två uppsättningarna av 1D-gränssnittspolarisation, som visas i Fig. 1b.

I denna hålighet är dock den enstaka QD placerad i närheten av den torretsade ytan, vilket kan leda till spektral diffusion eller blinkning på grund av koppling med yttillstånd och laddningsfällor. För att ta itu med detta problem justeras designen genom att eliminera det centrala lufthålet, som illustreras i fig. 1c.

Eftersom hörntillståndet i sig garanteras av den topologiska egenskapen av kantdipolär polarisation, förblir det opåverkat av svaga störningar, såsom det borttagna lufthålet. Fig. Id illustrerar hörntillståndsprofilen med mitthålet återställt. Efter att ha återställt mitthålet förblir hörntillståndet nästan intakt, med en högre Q-faktor, en blygsam lägesvolym och ett större avstånd (~100 nm) mellan QD och den etsade ytan.

Experimentellt tillverkas den topologiska kaviteten deterministiskt runt målet QD med användning av en bredfälts PL-avbildningsteknik. FIG. 2a–b visar PL-bilderna av enheten före och efter tillverkning av kavitet, vilket tydligt avslöjar den riktade enda QD (ljuspunkten) i mitten av det skapade hörntillståndet.

Genom att justera temperaturen finjusteras målet QD över hörntillståndets resonans, såsom illustreras i fig. 2c. En Purcell-faktor på ungefär 3,7 visas när QD resonerar med hörntillståndet, som visas i Fig. 2d. En Hanbury Brown och Twiss korrelationsmätning utförs för att bedöma renheten för den enda foton, vilket indikerar en låg sannolikhet för flera foton på g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.

Sammanfattningsvis visar forskarna den initiala deterministiska kopplingen av en enda QD med ett hörntillstånd, vilket utnyttjar topologisk robusthet och exakta positioneringstekniker. Genom temperaturjustering uppnår de en på-resonans Purcell-faktor på 3,7.

Enheten uppvisar också polariserad enkelfotonemission med en enkelfotonrenhet g(2)(0) så låg som 0,024 ± 0,103. Detta genombrott utökar potentialen för topologiska faser av högre ordning för avancerade tillämpningar för att manipulera ljus-materia-interaktioner på kvantnivå.

Mer information: Mujie Rao et al, Enkelfotonemitter deterministiskt kopplad till ett topologiskt hörntillstånd, Ljus:vetenskap och tillämpningar (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01377-6

Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar

Tillhandahålls av TranSpread