我國(guó)固態(tài)量子光源重大突破：高效率、高純度雙光子發(fā)射器研發(fā)成功

　　北京量子信息科學(xué)研究院昨日宣布，該院袁之良團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所牛智川課題組，在固態(tài)量子光源研究方面取得重要進(jìn)展。

　　研究團(tuán)隊(duì)成功制備出一種基于量子點(diǎn)-微柱腔耦合體系的高效率、高純度雙光子發(fā)射器。該器件利用創(chuàng)新的暗態(tài)雙激子激發(fā)路徑，并結(jié)合腔增強(qiáng)的簡(jiǎn)并雙激子-激子級(jí)聯(lián)輻射，大幅提升了雙光子發(fā)射的效率與純度。相關(guān)成果已于 3 月 2 日發(fā)表于《自然 · 材料》。

　　確定性雙光子態(tài)是量子計(jì)量、量子成像和量子生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的關(guān)鍵資源。然而，傳統(tǒng)基于非線性參量過程的雙光子源本質(zhì)上服從泊松統(tǒng)計(jì)，存在多光子事件概率不可忽略的問題。盡管單量子點(diǎn)可通過雙激子級(jí)聯(lián)輻射產(chǎn)生光子對(duì)，但如何高效填充雙激子態(tài)并同時(shí)實(shí)現(xiàn)高亮度、高純度的雙光子發(fā)射，一直是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

　　基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新的解決方案。團(tuán)隊(duì)將單個(gè) In (Ga)As 量子點(diǎn)嵌入微柱光學(xué)腔中，利用 p 殼層共振激發(fā)技術(shù)，選擇性地將載流子填充至長(zhǎng)壽命的暗激子態(tài)，從而繞過亮激子的快速輻射復(fù)合通道，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙激子態(tài)的高效、確定性加載。與此同時(shí)，該體系中的雙激子與激子能級(jí)近乎簡(jiǎn)并，使得單一腔模可同時(shí)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)輻射中的兩個(gè)光學(xué)躍遷，從而在保持高純度的同時(shí)顯著提升雙光子發(fā)射效率。

▲ 量子點(diǎn)雙光子發(fā)射器的創(chuàng)新路徑

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在弱連續(xù)光激發(fā)下，該光源的零延遲二階關(guān)聯(lián)函數(shù) g(2)(0) 高達(dá) 3966，表現(xiàn)出極強(qiáng)的雙光子聚束效應(yīng)；在脈沖激發(fā)模式下，基于二階和三階關(guān)聯(lián)測(cè)量的光子數(shù)分布重建表明，98.3% 的發(fā)射光子以光子對(duì)形式出現(xiàn)，雙光子發(fā)射效率在第一個(gè)物鏡處達(dá)到 29.9%。這是目前固態(tài)量子光源中雙光子純度與效率兼具的領(lǐng)先結(jié)果。

▲ 高性能雙光子源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　進(jìn)一步的時(shí)間分辨關(guān)聯(lián)測(cè)量揭示了該體系中的受激輻射機(jī)制：由于雙激子與激子能級(jí)簡(jiǎn)并，第一個(gè)雙激子光子的發(fā)射會(huì)加速后續(xù)激子光子的輻射，從而增強(qiáng)雙光子的時(shí)間關(guān)聯(lián)性。研究團(tuán)隊(duì)還建立了速率方程模型，成功復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的功率依賴性和聚束行為，為理解雙光子發(fā)射動(dòng)力學(xué)提供了理論框架。

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)能源網(wǎng)

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