Эмиттер одиночных фотонов, детерминированно связанный с топологическим угловым состоянием

Рис. 1. Теоретическая схема структуры КТ в топологической полости. Автор: Light: Science & Applications (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01377-6

Исследование квантовой электродинамики полостей (cQED) имеет решающее значение для развития квантовых технологий и раскрытия фундаментальных тонкостей взаимодействия света и материи. Распространенная стратегия предполагает интеграцию одного квантового эмиттера в фотонные микрорезонаторы, обладающие высоким качеством (добротностью) или малыми модовыми объемами. Силу связи в cQED часто оценивают с помощью фактора Перселла, жизненно важного параметра.

Полупроводниковые квантовые точки (КТ) в твердом состоянии являются многообещающими кандидатами благодаря их атомоподобной двухэнергетической структуре и совместимости с современными процессами производства полупроводников для интеграции микрорезонаторов. Однако проблемы возникают из-за структурных нарушений или дефектов, возникших в процессе производства, что отрицательно влияет на производительность.

В этом контексте топологическая оптика становится многообещающим решением благодаря своей внутренней топологической устойчивости. Топологическое угловое состояние более высокого порядка, предлагающее меньший объем моды, дает более высокий фактор Перселла или вакуумное расщепление Раби даже при скромной добротности.

Тем не менее, сохраняются проблемы при соединении одиночных КТ с сильно ограниченными топологическими полостями, в первую очередь из-за случайного пространственного распределения КТ в процессе их роста. Предыдущие попытки столкнулись с трудностями в достижении значительного улучшения взаимодействия света и материи.

В недавней публикации в журнале Light: Science & Applications исследовательская группа под руководством профессора Ин Ю и профессора Цзяньвэнь Донг из Университета Сунь Ятсена демонстрирует начальную детерминированную связь одиночной КТ с топологическим угловым состоянием. Это достижение позволяет использовать топологическую устойчивость для модификации структуры с использованием метода фотолюминесценции (ФЛ) в широком поле. Благодаря резонансу они наблюдают заметный фактор Парселла 3,7 и поляризованное однофотонное излучение.

Структура разработана на основе углового состояния 0D, характерного для топологического фотонного кристалла второго порядка (PhC) пластинчатого типа. Топология полосы PhC обусловлена квантованной краевой диполярной поляризацией, отмеченной двумерной фазой Зака.

Структура PhC имеет характерное определение элементарной ячейки с квадратной решеткой, изображенной красными и синими областями на рис. 1a. Следовательно, фазы Зака, соответствующие каждой области, различаются. Объединение этих различных PhC, как показано на рис. 1a, приводит к угловому состоянию, сближению двух наборов поляризации одномерного интерфейса, как показано на рис. 1b.

Однако в этом резонаторе одиночная КТ расположена в непосредственной близости от сухотравленной поверхности, что может привести к спектральной диффузии или мерцанию из-за связи с поверхностными состояниями и ловушками заряда. Чтобы решить эту проблему, в конструкцию вносят изменения, устраняя центральное вентиляционное отверстие, как показано на рис. 1c.

Поскольку угловое состояние по своей сути гарантируется топологическим свойством краевой диполярной поляризации, на него не влияют слабые возмущения, такие как удаленное воздушное отверстие. На рис. 1d показан профиль углового состояния с восстановленным центральным отверстием. После восстановления центрального отверстия угловое состояние остается практически неизменным, обладая более высокой добротностью, скромным модовым объемом и большим расстоянием (~ 100 нм) между КТ и протравленной поверхностью.

Рисунок 2. Расположение одиночной КТ и привязка к угловому состоянию. Автор: Light: Science & Applications (2024 г.). DOI: 10.1038/s41377-024-01377-6

Экспериментально топологическая полость детерминированно создается вокруг целевой КТ с использованием метода широкопольной фотолюминесценции. Рис. 2a–b демонстрируют фотолюминесцентные изображения устройства до и после изготовления полости, четко показывая целевую одиночную КТ (яркое пятно) в центре созданного углового состояния.

Регулируя температуру, целевая КТ точно настраивается на резонанс углового состояния, как показано на рис. 2c. Фактор Парселла примерно 3,7 демонстрируется, когда КТ резонирует с угловым состоянием, как показано на рис. 2d. Измерение корреляции Хэнбери Брауна и Твисса проводится для оценки однофотонной чистоты, что указывает на низкую многофотонную вероятность g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.

Таким образом, исследователи демонстрируют первоначальную детерминированную связь одной КТ с угловым состоянием, используя топологическую устойчивость и методы точного позиционирования. Благодаря настройке температуры они достигают резонансного коэффициента Парселла 3,7.

Устройство также демонстрирует поляризованное однофотонное излучение с чистотой одного фотона g(2)(0) всего 0,024 ± 0,103. Этот прорыв расширяет потенциал топологических фаз более высокого порядка для передовых приложений по управлению взаимодействиями света и материи на квантовом уровне.