Um único emissor de fótons acoplado deterministicamente a um estado de canto topológico
Figura 1. Esquema teórico da estrutura da cavidade QD-in-topológica. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01377-6 Explorar a eletrodinâmica quântica de cavidades (cQED) é fundamental para o avanço da tecnologia quântica e desvendar os meandros fundamentais das interações luz-matéria. Uma estratégia predominante envolve a integração de um único emissor quântico em microcavidades fotônicas com fatores de alta qualidade (Q) ou pequenos volumes de modo. A força do acoplamento no cQED é frequentemente avaliada usando o fator Purcell, um parâmetro vital.
Pontos quânticos semicondutores (QDs) no estado sólido surgem como candidatos promissores devido à sua estrutura de duas energias semelhante a um átomo e à compatibilidade com processos contemporâneos de fabricação de semicondutores para integração de microcavidades. No entanto, os desafios surgem de distúrbios estruturais ou defeitos introduzidos durante o processo de fabricação, afetando negativamente o desempenho.
Neste contexto, a óptica topológica surge como uma solução promissora devido à sua robustez topológica intrínseca. O estado de canto topológico de ordem superior, oferecendo um volume de modo menor, produz um fator Purcell mais alto ou divisão Rabi a vácuo, mesmo com um fator Q modesto.
No entanto, persistem desafios no acoplamento de QDs únicos a cavidades topológicas altamente confinadas, principalmente devido à distribuição espacial aleatória de QDs durante o seu processo de crescimento. Tentativas anteriores enfrentaram dificuldades em conseguir um aumento significativo nas interações luz-matéria.
Em uma publicação recente em Light:Science &Applications , a equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Jianwen Dong da Universidade Sun Yat-sen demonstra o acoplamento determinístico inicial de um único QD a um estado de canto topológico. Essa conquista aproveita a robustez topológica para modificar a estrutura, empregando uma técnica de imagem por fotoluminescência (PL) de campo amplo. Através da ressonância, eles observam um notável fator de Purcell de 3,7 e emissão polarizada de fóton único.
A estrutura é desenvolvida com base no estado de canto 0D, uma característica de um cristal fotônico topológico de segunda ordem (PhC) tipo placa. A topologia de banda do PhC decorre da polarização dipolar de borda quantizada, marcada por uma fase Zak 2D.
A estrutura do PhC adota uma definição distinta de célula unitária com uma rede quadrada, representada pelas regiões vermelha e azul na Fig. Consequentemente, as fases Zak correspondentes a cada região são diferentes. A combinação desses PhCs distintos, como mostrado na Fig. 1a, dá origem a um estado de canto, uma convergência dos dois conjuntos de polarização de interface 1D, conforme representado na Fig.
No entanto, nesta cavidade, o QD único é posicionado próximo à superfície gravada a seco, o que pode levar à difusão espectral ou piscar devido ao acoplamento com estados de superfície e armadilhas de carga. Para resolver esta preocupação, o projeto é ajustado eliminando o orifício de ar central, conforme ilustrado na Fig.
Como o estado de canto é inerentemente garantido pela propriedade topológica da polarização dipolar de borda, ele permanece não afetado por perturbações fracas, como o orifício de ar removido. A Fig. 1d ilustra o perfil do estado do canto com o furo central reinstalado. Depois de restabelecer o furo central, o estado do canto permanece quase intacto, apresentando um fator Q mais alto, um volume de modo modesto e uma distância maior (~100 nm) entre o QD e a superfície gravada.
Figura 2. Posicionamento QD único e acoplamento ao estado de canto. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01377-6
Experimentalmente, a cavidade topológica é fabricada de forma determinística em torno do QD alvo usando uma técnica de imagem PL de campo amplo. Figos. 2a-b mostram as imagens PL do dispositivo antes e depois da fabricação da cavidade, revelando claramente o QD único alvo (ponto brilhante) no centro do estado do canto criado.
Ao ajustar a temperatura, o QD alvo é ajustado através da ressonância do estado de canto, como ilustrado na Fig. Um fator de Purcell de aproximadamente 3,7 é demonstrado quando o QD ressoa com o estado de canto, como mostrado na Fig. Uma medição de correlação de Hanbury Brown e Twiss é conduzida para avaliar a pureza de um único fóton, indicando uma baixa probabilidade multifóton de g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.
Em resumo, os pesquisadores demonstram o acoplamento determinístico inicial de um único QD com um estado de canto, aproveitando a robustez topológica e técnicas de posicionamento precisas. Através do ajuste de temperatura, eles alcançam um fator Purcell de ressonância de 3,7.
O dispositivo também exibe emissão polarizada de fóton único com pureza de fóton único g(2)(0) tão baixa quanto 0,024 ± 0,103. Esta descoberta expande o potencial das fases topológicas de ordem superior para aplicações avançadas na manipulação de interações luz-matéria no nível quântico.
