| 최초로 비쌍극자 근사에서의 미소공동-양자점 결합 시스템 증익 규명 | ||
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 최근 중국과학원 물리연구소/베이징응집물질물리국가연구센터 광물리중점실험실 쉬슈라이(許秀來) 연구팀은 나노물리·장치중점실험실 구창즈(顧長志) 연구원 및 광물리중점실험실 진쿠이쥐안(金奎娟) 연구원 등과 공동으로 미소공동(microcavity)-p-shell 양자점 결합 시스템을 제안·구현했다. 또한 이론·실험적으로 해당 시스템이 비쌍극자 근사를 취하고 있음을 입증함으로써 미소공동-양자점 결합 시스템의 증익을 최초로 규명했다. 연구에서 획득한 210μeV 결합강도는 미소공동-양자점 결합 시스템에서 지금까지 획득한 최대 수치이다. 해당 논문은 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 빛과 물질의 결맞음 상호작용은 양자광학네트워크에서의 핵심부분이다. 광자결정 미소공동-양자점 결합 시스템은 적은 감쇠, 작은 모드 부피(mode volume) 및 온칩 집적이 가능한 등 특성을 보유하기에 고체상태 양자광학네트워크에 이상적인 플랫폼을 제공한다. 동 시스템 관련 연구는 주로 양자점의 s-shell 상태에만 집중되어 있다. s-shell 상태의 파동함수는 분포가 적기에 쌍극자 근사로 상기 시스템을 기술할 수 있지만 이는 미소공동-양자점 결합 시스템의 결합강도 저하를 초래할 뿐만 아니라 고체상태 시스템 특성에 의한 광자결정 미소공동 모드 필드(mode field) 분포 제어를 어렵게 한다. 전자기장이 양자점의 파동함수에 영향을 미칠 수 있지만 s-shell 상태의 작은 파동함수 분포는 불분명한 제어 효과를 초래한다. 따라서 미소공동-양자점 결합 시스템에서 어떻게 결합강도 증익 및 고효율적 제어를 달성할 것인지는 빛과 물질의 상호작용 및 양자광학 네트워크를 연구하는데 매우 중요하다. 연구팀은 비쌍극자 근사에서의 미소공동-양자점 결합 시스템을 구현하기 위해 낮은 점밀도(Point Density), 큰 사이즈 양자점 샘플을 성장시켰다. 한편 고정밀도 미세가공 과정을 통해 Q값(quality factor)이 10,000에 달하는 L3형 광자결정 미소공동을 제조했다. 광스펙트럼으로 상기 양자점은 1개 기저상태(s-shell)와 적어도 2개 여기상태(p-shell와 d-shell)를 보유한다. 여기상태는 큰 파동함수 확산을 보유하기에 p-shell의 자기저항은 s-shell에 비해 훨씬 크다. 그중 p-shell는 일부 특수한 엑시톤 상태를 포함하는데 수직 자기장에서 항자기역전 거동을 나타낸다. 이는 해당 엑시톤 상태의 파동함수에서 상당 부분이 침윤층 속까지 확산됨을 설명한다. 연구팀은 상기 특수한 엑시톤 상태에서 비쌍극자 근사의 결합 증익을 관측했다. 미소공동과 점의 약한 결합 작용 하에서 엑시톤 상태의 복사는 Purcell 증익을 발생하는데 그 증익계수는 결합강도와 공동막의 부정합에 의해 결정된다. 실험 데이터로부터 결합강도 크기를 추출한 결과 작은 자기장에서의 결합강도는 자기장에 따라 증가했다. 강한 결합에서의 결합강도는 래비 분할(Rabi splitting)에 대한 정합을 통해 획득했고 자기장에 따른 변화는 약한 결합에서의 결과와 거의 일치했다. 미소공동 내부장의 분포가 불균일한 원인으로 양자점의 파동함수가 자기장에 따라 수축시 파동함수 위치 전기장은 반대로 강해졌다. 따라서 초기 파동함수 확산이 충분히 클 때 시스템의 결합강도는 이전 운행 중 쌍극자 근사에서처럼 자기장에 따라 단조롭게 감소하는 것이 아니라 작은 자기장에서 증익됐다. 실험 및 이론적 결과로부터 이론적 예측, 약한 결합 및 강한 결합에서의 데이터는 서로 일치함을 알 수 있다. 해당 연구는 미소공동-양자점 결합 시스템을 기저상태에서 고에너지 상태로 끌어올렸을 뿐만 아니라 최초로 결합강도의 증익 및 고효율적 제어를 달성해 해당 시스템에 존재하는 약한 결합강도 및 제어 어려움의 문제를 해결했는바 이는 제어 가능한 양자광학네트워크 및 양자 컴퓨팅 구현에 중요한 의미가 있다. 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/R4HBkwGfrR8pyPxxua_O9g |
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