Ein einzelner Photonenemitter, der deterministisch an einen topologischen Eckzustand gekoppelt ist

Die Erforschung der Hohlraumquantenelektrodynamik (cQED) ist von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der Quantentechnologie und die Aufklärung der grundlegenden Feinheiten der Licht-Materie-Wechselwirkungen. Eine vorherrschende Strategie besteht darin, einen einzelnen Quantenemitter in photonische Mikrokavitäten zu integrieren, die sich durch hohe Qualitätsfaktoren (Q) oder kleine Modenvolumina auszeichnen. Die Stärke der Kopplung bei cQED wird häufig anhand des Purcell-Faktors, einem wichtigen Parameter, beurteilt.

Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) im Festkörper erweisen sich aufgrund ihrer atomähnlichen Zwei-Energie-Struktur und ihrer Kompatibilität mit modernen Halbleiterfertigungsprozessen für die Mikrokavitätsintegration als vielversprechende Kandidaten. Herausforderungen ergeben sich jedoch aus strukturellen Unordnungen oder Defekten, die während des Herstellungsprozesses entstehen und sich nachteilig auf die Leistung auswirken.

In diesem Zusammenhang erweisen sich topologische Optiken aufgrund ihrer intrinsischen topologischen Robustheit als vielversprechende Lösung. Der topologische Eckzustand höherer Ordnung, der ein kleineres Modenvolumen bietet, führt zu einem höheren Purcell-Faktor oder einer Vakuum-Rabi-Aufspaltung, selbst bei einem bescheidenen Q-Faktor.

Dennoch bestehen weiterhin Herausforderungen bei der Kopplung einzelner QDs an stark begrenzte topologische Hohlräume, vor allem aufgrund der zufälligen räumlichen Verteilung von QDs während ihres Wachstumsprozesses. Frühere Versuche hatten Schwierigkeiten, eine signifikante Verbesserung der Licht-Materie-Wechselwirkungen zu erreichen.

In einem aktuelle Veröffentlichung In Licht: Wissenschaft und AnwendungenDas Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Ying Yu und Prof. Jianwen Dong von der Sun Yat-sen-Universität demonstriert die anfängliche deterministische Kopplung eines einzelnen QD mit einem topologischen Eckzustand. Diese Leistung nutzt die topologische Robustheit, um die Struktur mithilfe einer Weitfeld-Photolumineszenz (PL)-Bildgebungstechnik zu modifizieren. Durch Resonanz beobachten sie einen bemerkenswerten Purcell-Faktor von 3,7 und polarisierte Einzelphotonenemission.

Die Struktur basiert auf dem 0D-Eckzustand, einem Merkmal eines topologischen photonischen Kristalls zweiter Ordnung (PhC) vom Plattentyp. Die Bandtopologie des PhC ergibt sich aus der quantisierten dipolaren Kantenpolarisation, die durch eine 2D-Zak-Phase gekennzeichnet ist.

Die PhC-Struktur nimmt eine charakteristische Elementarzellendefinition mit einem quadratischen Gitter an, dargestellt durch die roten und blauen Bereiche in Abb. 1a. Folglich unterscheiden sich die Zak-Phasen, die jeder Region entsprechen. Die Kombination dieser unterschiedlichen PhCs, wie in Abb. 1a dargestellt, führt zu einem Eckzustand, einer Konvergenz der beiden Sätze der 1D-Grenzflächenpolarisation, wie in Abb. 1b dargestellt.

In diesem Hohlraum befindet sich der einzelne QD jedoch in unmittelbarer Nähe der trockengeätzten Oberfläche, was aufgrund der Kopplung mit Oberflächenzuständen und Ladungsfallen zu spektraler Diffusion oder Blinken führen kann. Um dieses Problem zu lösen, wird das Design angepasst, indem das mittlere Luftloch entfernt wird, wie in Abb. 1c dargestellt.

Da der Eckzustand von Natur aus durch die topologische Eigenschaft der dipolaren Kantenpolarisation garantiert ist, bleibt er von schwachen Störungen, wie etwa dem entfernten Luftloch, unbeeinflusst. Abb. 1d zeigt das Eckzustandsprofil mit wiederhergestelltem Mittelloch. Nach der Wiederherstellung des Mittellochs bleibt der Eckzustand nahezu intakt und weist einen höheren Q-Faktor, ein bescheidenes Modenvolumen und einen größeren Abstand (~100 nm) zwischen dem QD und der geätzten Oberfläche auf.

Experimentell wird der topologische Hohlraum mithilfe einer Weitfeld-PL-Bildgebungstechnik deterministisch um den Ziel-QD herum hergestellt. Feigen. 2a–b zeigen die PL-Bilder des Geräts vor und nach der Hohlraumherstellung und zeigen deutlich den angestrebten einzelnen QD (hellen Fleck) in der Mitte des erstellten Eckzustands.

Durch Anpassen der Temperatur wird die Ziel-QD über die Resonanz des Eckzustands hinweg fein abgestimmt, wie in Abb. 2c dargestellt. Ein Purcell-Faktor von etwa 3,7 wird nachgewiesen, wenn der QD mit dem Eckzustand in Resonanz steht, wie in Abb. 2d dargestellt. Zur Beurteilung der Einzelphotonenreinheit wird eine Korrelationsmessung nach Hanbury Brown und Twiss durchgeführt, die auf eine geringe Mehrphotonenwahrscheinlichkeit von g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103 hinweist.

Zusammenfassend demonstrieren die Forscher die anfängliche deterministische Kopplung eines einzelnen QD mit einem Eckzustand und nutzen dabei topologische Robustheit und präzise Positionierungstechniken. Durch Temperaturabstimmung erreichen sie einen On-Resonanz-Purcell-Faktor von 3,7.

Das Gerät weist außerdem eine polarisierte Einzelphotonenemission mit einer Einzelphotonenreinheit g(2)(0) von nur 0,024 ± 0,103 auf. Dieser Durchbruch erweitert das Potenzial topologischer Phasen höherer Ordnung für fortgeschrittene Anwendungen bei der Manipulation von Licht-Materie-Wechselwirkungen auf Quantenebene.