光與物質的相乾相互作用是量子光學網絡中的核心部分。光子晶體微腔-量子點耦合系統具有較小的衰減、較小的模式體積以及可以片上集成的特性，因此為固態量子光學網絡提供了理想的平台。而目前對該系統的研究主要集中在量子點的s-shell態上。由於s-shell態的波函數分布小，因此該系統可以通過偶極近似來描述。但是這導致了微腔-量子點耦合系統中的耦合強度較小。同時由於固態系統的特性，光子晶體微腔的模場分布很難被調節。雖然電磁場可以影響量子點的波函數，但是s-shell態較小的波函數分布導致調節效果不明顯。因此，如何實現微腔-量子點耦合系統中耦合強度的增益與高效調控，對深入研究光與物質相互作用和量子光學網絡都十分重要。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室許秀來課題組與納米物理與器件重點實驗室顧長志研究員及光物理重點實驗室金奎娟研究員等合作，在總結過去相關工作的基礎上，在國際上首次提出並實現了微腔-p-shell量子點耦合系統。同時，他們在理論和實驗上證實了該系統處於非偶極近似下，從而首次實現了微腔-量子點耦合系統的增益。其中得到的210μeV的耦合強度，是目前微腔-量子點耦合系統中最大的數值。文章發表在近期的Physical Review Letters上，錢琛江同學為該論文第一作者。
研究人員為了實現非偶極近似下的微腔-量子點耦合系統，生長了一批具有低點密度、大尺寸的量子點樣品。同時通過高精度的微加工過程，製備了具有高品質因子的L3型光子晶體微腔，其Q值可達10000。從光譜上看，這些量子點具有一個基態（s-shell）和至少兩個激發態（p-shell和d-shell）。由於激發態具有大的波函數擴展，p-shell的抗磁遠大於s-shell的抗磁，如圖1所示。其中，p-shell還包含一些特別的激子態，其在垂直磁場下具有抗磁反轉的行為，說明這些激子態的波函數有相當一部分擴展到了浸潤層之中。在這些特別的激子態上，研究人員觀測到了非偶極近似下的耦合增益。圖2(a)中展示了弱耦合下的結果。在微腔與點弱耦合作用下，激子態的異塵餘生產生Purcell增益，其增益系數由耦合強度與腔膜的失諧決定。我們從實驗數據中提取出了耦合強度的大小，發現了在小磁場下耦合強度隨磁場增加，如圖2(b)所示。此外，研究人員還觀測了強耦合下的結果，如圖3所示。在強耦合下，耦合強度通過對拉比劈裂進行擬合得到，其隨磁場的變化與弱耦合下的結果基本一致。具體機理如圖4所示，由於微腔內場分布不均勻，當量子點的波函數隨磁場收縮時，波函數所在位置的電場反而會變強。因此，當初始波函數擴展足夠大時，系統的耦合強度不會像過去工作中偶極近似下那樣隨磁場單調減小。而是在小磁場下，系統的耦合強度將被增益。從實驗和理論結果中可以看出理論預測、弱耦合和強耦合下的數據相符。該工作將微腔-量子點耦合系統從基態推向高能級態，並且首次實現了耦合強度的增益與高效調控，解決了該系統中耦合強度低且難以調控的問題，對實現可控量子光學網絡、量子計算有著重要的意義。
圖1 (a) s-shell在垂直磁場下的磁光光譜。其中包含一個強耦合過程。 (b) p-shell在水準和垂直磁場下的磁光光譜。其中一些峰如所示，在水準磁場下沒有變化，在垂直磁場下呈現正抗磁。而另一些特別的峰，如所示，在水準磁場下可以觀測到抗磁，並且在垂直磁場下呈現出抗磁反轉。
圖3 (a) 3-5T垂直磁場下，光譜隨溫度的變化 （上圖），及其強耦合下反交叉的擬合（下圖）。(b) 4.2K下的抗磁翻轉。(c) 耦合強度隨磁場的變化。黑點為強耦合的數據，灰線為圖2中弱耦合的數據。
圖4 (左) L3型光子晶體微腔的結構示意圖和模場分布圖。(中)量子點波函數隨著磁場收縮示意圖。(右)耦合強度隨磁場變化。其中圓點為強耦合數據，紅線為圖2中弱耦合下的數據，藍線為偶極近似理論的預測。
編輯：AI
香港九龍灣馬來街興發大廈15樓D室