Управление частотами фотонов, излучаемых одиночной квантовой точкой в одномерном фотонном кристалле

Abstract

Предмет исследования. Одиночная квантовая точка из InAs в одномерном фотонном кристалле на основе GaAs. Цель работы. Разработка метода управления частотами фотонов, излучаемых одиночной квантовой точкой в одномерном фотонном кристалле, на основе эффекта изменения электромагнитной массы электрона в фотонно-кристаллической среде. Метод. В основе предлагаемого метода лежит эффект изменения электромагнитной массы электрона в среде фотонного кристалла. Он проявляет себя в виде поправок к энергетическим уровням электронов, зависящих от оптической плотности среды. Для управления последней предлагаем использовать инжекцию свободных носителей заряда и квадратичный электрооптический эффект Керра. Основные результаты. На примере квантовых переходов между p- и s-состояниями водородоподобной квантовой точки из InAs, помещённой в пустоты одномерного фотонного кристалла из GaAs, была показана принципиальная возможность управления in situ частотами фотонов, излучённых квантовой точкой. Это возможно на основе эффекта изменения электромагнитной массы электрона, а также настройки показателя преломления фотонного кристалла с помощью инжекции свободных носителей заряда и электрооптического эффекта Керра. Расчёты, проведённые для описанных выше условий, показали, что диапазон управления энергией фотонов, доступный в эксперименте, оказывается мал (несколько десятков микроэлектронвольт), чтобы использовать его на практике, и эффект смещения уступает по порядку величины таковому, уже наблюдавшемуся в эксперименте. Вместе с тем, обращаем внимание на то, что величина смещения энергетических уровней под действием исследуемого квантово-электродинамического эффекта квадратично зависит от показателя преломления материала, из которого изготовлен фотонный кристалл. Следовательно, ожидаем, что описанный здесь метод будет существенно масштабирован по мере роста оптической плотности вещества. Такие фотонные кристаллы могут быть получены на основе метаматериалов с высоким показателем преломления. Практическая значимость. Полученные в работе результаты разработки метода управления частотами фотонов, излучаемых одиночной квантовой точкой в одномерном фотонном кристалле, послужат основой для реализации интерфейса фотон-излучатель, который содержит ключевые квантовые функциональные возможности, такие как фотонные кубиты, однофотонные источники оптического излучения, а также нелинейные квантовые фотон-фотонные вентили.