Квантовая оптическая спектроскопия - Quantum-optical spectroscopy

Квантовая оптическая спектроскопия^[1][2] это квантово-оптический обобщение лазер спектроскопия где материя возбуждается и исследуется последовательностью лазерные импульсы.

Обычно такие импульсы определяются их спектральной и временной формой, а также фазой и амплитудой электромагнитное поле. Помимо этих свойств света, фазово-амплитудные аспекты имеют внутренний квантовые флуктуации, которые представляют центральный интерес в квантовая оптика. В обычном лазерная спектроскопия,^[3][4][5] один использует только классические аспекты распространения лазерных импульсов через вещество, такие как атомы или же полупроводники. В квантово-оптической спектроскопии дополнительно используется квантово-оптические флуктуации света для улучшения спектроскопических возможностей путем непосредственного формирования и / или обнаружения квантовые флуктуации света. Квантовая оптическая спектроскопия имеет приложения для управления и описания квантовой динамики состояний многих тел, поскольку можно получить прямой доступ к большому набору многотельный состояния,^[6][7] что невозможно в классической спектроскопии.

Квантово-оптическое состояние инжекции

Общий электромагнитное поле всегда можно выразить через расширение режима где отдельные компоненты образуют полный комплект режимов. Такие режимы могут быть созданы с помощью различных методов, и они могут быть, например, собственным состоянием энергии, типичными пространственными модами или временными режимами. Когда-то этот свет Режим выбраны, их влияние на квантованное электромагнитное поле можно описать как Бозон операторы создания и уничтожения${\displaystyle {\hat {B}}^{\dagger }}$ и ${\displaystyle {\hat {B}}}$ за фотоны, соответственно.^[8] Квантовые флуктуации светового поля можно однозначно определить^[9] фотоном корреляции ${\displaystyle \Delta \langle \left[B^{\dagger }\right]^{J}\,B^{K}\rangle }$ которые содержат чистый ${\displaystyle (J+K)}$-частичных корреляций, как определено кластерный подход. Используя тот же формализм вторичного квантования для изучаемого вещества типичные электронные возбуждения в веществе можно описать следующим образом: Фермион операторы электронных возбуждений и дырок, т.е. ~ электронные вакансии, оставленные многочастичным основное состояние.^[10] Соответствующие электронно-дырочные возбуждения можно описать операторами ${\displaystyle {\hat {X}}^{\dagger }}$ и ${\displaystyle {\hat {X}}}$ которые создают и аннигилируют электронно-дырочную пару соответственно.

В некоторых случаях взаимодействие света с веществом можно описать с помощью дипольного взаимодействия^[7]

${\displaystyle {\hat {H}}_{\mathrm {lm} }=-\sum {\mathcal {F}}\,{\hat {B}}{\hat {X}}^{\dagger }+\mathrm {h.c.} \,,}$

где суммирование ведется неявно по всем возможностям создания электронно-дырочной пары ( ${\displaystyle {\hat {X}}^{\dagger }}$ часть) через поглощение фотона ( ${\displaystyle {\hat {B}}}$ часть); гамильтониан также содержит Эрмитово сопряжение (сокращенно h.c.) явным образом написанных терминов. В сила сцепления между светом и материей определяется ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$.

При резонансном возбуждении электронно-дырочных пар одномодовым светом ${\displaystyle {\hat {B}}}$, фотонные корреляции напрямую вводятся в многочастичные корреляции. В частности, фундаментальная форма взаимодействия света и вещества неизбежно приводит к соотношению корреляции-переноса^[1][7]

${\displaystyle \Delta \langle \left[{\hat {X}}^{\dagger }\right]^{J}{\hat {X}}^{K}\rangle =\eta ^{\frac {J+K}{2}}\Delta \langle \left[B^{\dagger }\right]^{J}B^{K}\rangle \,,}$

между фотонами и электронно-дырочными возбуждениями. Строго говоря, это соотношение справедливо до начала рассеяния, индуцированного Кулон и фонон взаимодействия в твердом теле. Поэтому желательно использовать лазерные импульсы, которые быстрее, чем преобладающие процессы рассеяния. Этот режим относительно легко реализовать в современной лазерной спектроскопии, потому что лазеры уже могут выводить фемтосекунда, или даже аттосекунда, импульсы с высокой точностью управляемости.

Реализация

Физически соотношение корреляции-переноса означает, что можно напрямую вводить желаемые состояния множества тел, просто регулируя квантовые флуктуации светового импульса, пока световой импульс достаточно короткий. Это открывает новую возможность для изучения свойств различных состояний многих тел, когда квантово-оптическая спектроскопия реализуется посредством управления квантовыми флуктуациями источников света. Например, последовательный -состояние лазера целиком описывается его одночастичным ожидаемое значение ${\displaystyle \langle {\hat {B}}\rangle }$. Следовательно, такое возбуждение напрямую вносит свойство ${\displaystyle \langle {\hat {X}}\rangle }$ это поляризация, связанная с электронно-дырочными переходами. Для прямого возбуждения связанных электронно-дырочных пар, т. Е. экситоны, описываемый двухчастичной корреляцией ${\displaystyle \Delta \langle {\hat {X}}^{\dagger }{\hat {X}}\rangle }$, или биэкситон переход ${\displaystyle \Delta \langle {\hat {X}}\,{\hat {X}}\rangle }$, нужен источник с ${\displaystyle \Delta \langle {\hat {B}}^{\dagger }{\hat {B}}\rangle }$ или же ${\displaystyle \Delta \langle {\hat {B}}{\hat {B}}\rangle }$ фотонные корреляции соответственно.

Для реализации квантово-оптической спектроскопии используются источники света высокой интенсивности со свободно регулируемыми квантовая статистика необходимы, которые в настоящее время недоступны. Однако можно применить проективные методы.^[6][11][12] чтобы получить доступ к квантово-оптическому отклику вещества с помощью набора классических измерений. В частности, метод, представленный в [5].^[6] надежно проектирует квантово-оптические отклики настоящих систем многих тел. Эта работа показала, что действительно можно выявить и получить доступ к свойствам многих тел, которые остаются скрытыми в классической спектроскопии. Таким образом, квантово-оптическая спектроскопия идеально подходит для характеристики и управления сложными многочастичными состояниями в нескольких различных системах, начиная от молекулы к полупроводники.

Отношение к полупроводниковой квантовой оптике

Квантовая оптическая спектроскопия - важный подход в полупроводниковой промышленности. квантовая оптика. Способность различать и управлять состояниями многих тел, безусловно, интересна в полупроводниках с расширенными возможностями, таких как квантовые ямы потому что типичное классическое возбуждение без разбора обнаруживает вклады от множества конфигураций многих тел; С помощью квантовой оптической спектроскопии можно получить доступ к желаемому многотельному состоянию в протяженном полупроводнике и управлять им.^[7] В то же время идеи квантово-оптической спектроскопии могут быть полезны и при изучении более простых систем, таких как квантовые точки.

Квантовые точки - это полупроводниковый эквивалент простых атомных систем, в которых было измерено большинство первых квантово-оптических демонстраций.^[8] Поскольку квантовые точки созданы человеком, их можно настроить для производства новых квантово-оптических компонентов для информационные технологии. Например, в квантовая информатика, часто интересуются источники света, которые могут выдавать фотоны по запросу или запутанный пары фотонов на определенных частотах. Такие источники уже были продемонстрированы с помощью квантовых точек путем управления их излучением фотонов с помощью различных схем.^[13][14][15] Таким же образом квантовая точка лазеры может показывать необычные изменения в условной вероятности^[16] испустить фотон, когда уже испускается один фотон; этот эффект можно измерить в так называемом грамм² корреляция. Одна интересная возможность для квантово-оптической спектроскопии - накачка квантовых точек квантовым светом для более точного управления их световым излучением.^[17]

Квантовая точка микрополость исследования быстро продвигались с момента экспериментальной демонстрации^[18][19] вакуума Расщепление Раби между одиночной точкой и полостным резонансом. Этот режим можно понять на основе Модель Джейнса – Каммингса в то время как полупроводниковые аспекты обеспечивают множество новых физических эффектов^[20][21] из-за электронной связи с колебания решетки.

Тем не менее квантовое расщепление Раби - возникновение непосредственно из квантованных уровней света - оставалось неуловимым, поскольку во многих экспериментах отслеживалась только интенсивность фотолюминесценция. Следуя идеологии квантово-оптической спектроскопии, Ref.^[22] предсказал, что квантовое расщепление Раби может быть разрешено при измерении фотонной корреляции, даже если оно размывается в спектре фотолюминесценции. Это было экспериментально продемонстрировано^[23] путем измерения так называемого грамм² корреляции, которые количественно определяют, насколько регулярно фотоны испускаются квантовой точкой внутри микрополости.

Смотрите также

• Антигруппировка фотонов
• Резонансная флуоресценция
• Полупроводниковые уравнения Блоха
• Уравнения люминесценции полупроводников
• Сверхбыстрая лазерная спектроскопия

Рекомендации

1. Кира, М .; Кох, С. (2006) "Квантовая оптическая спектроскопия полупроводников". Физический обзор A 73 (1).Дои:10.1103 / PhysRevA.73.013813. ISSN  1050-2947.
2. Koch, S.W .; Кира, М .; Хитрова, Г.; Гиббс, Х. М. (2006). «Полупроводниковые экситоны в новом свете». Материалы Природы 5 (7): 523–531. Дои:10.1038 / nmat1658. ISSN  1476-1122.
3. Стенхольм, С. (2005). Основы лазерной спектроскопии. Dover Pubn. Inc. ISBN  978-0486444987.
4. Демтредер, В. (2008). Лазерная спектроскопия: Vol. 1: Основные принципы. Springer. ISBN  978-3540734154.
5. Демтредер, В. (2008). Лазерная спектроскопия: Vol. 2: Экспериментальные методы. Springer. ISBN  978-3540749523.
6. Кира, М .; Koch, S.W .; Smith, R.P .; Хантер, А. Э .; Кундифф, С. Т. (2011). «Квантовая спектроскопия с состояниями кота Шредингера». Природа Физика7 (10): 799–804. Дои:10.1038 / nphys2091. ISSN  1745-2473.
7. Кира, М .; Кох, С. В. (2011). Полупроводниковая квантовая оптика. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521875097.
8. Уоллс, Д. Ф .; Милберн, Г. Дж. (2008). Квантовая оптика. Springer. ISBN  978-3540285731.
9. Кира, М .; Кох, С. (2008). «Представление кластерного расширения в квантовой оптике». Физический обзор А 78 (2). Дои:10.1103 / PhysRevA.78.022102. ISSN  1050-2947.
10. Ashcroft, N.W .; Мермин, Н. Д. (1976). Физика твердого тела. Колледж Сондерса. ISBN  978-0030839931.
11. Сударшан, Э. (1963). «Эквивалентность квазиклассического и квантово-механического описания статистических световых пучков». Письма с физическими проверками 10 (7): 277–279. Дои:10.1103 / PhysRevLett.10.277. ISSN  0031-9007.
12. Лобино, М .; Корыстов, Д .; Купчак, Ц .; Фигероа, Э .; Sanders, B.C .; Львовский, А.И. (2008). «Полная характеристика квантово-оптических процессов». Наука 322 (5901): 563–566. Дои:10.1126 / science.1162086. ISSN  0036-8075.
13. Михлер, П. (2000). "Однофотонный турникет на квантовых точках". Наука 290 (5500): 2282–2285. Дои:10.1126 / science.290.5500.2282. ISSN  0036-8075.
14. Бенсон, Оливер; Сантори, Чарльз; Пелтон, Мэтью; Ямамото, Ёсихиса (2000). «Регулируемые и запутанные фотоны из одной квантовой точки». Письма с физическими проверками 84 (11): 2513–2516. Дои:10.1103 / PhysRevLett.84.2513. ISSN  0031-9007.
15. Стивенсон, Р. М .; Янг, Р. Дж .; Аткинсон, П .; Купер, К .; Ричи, Д. А .; Шилдс, А. Дж. (2006). «Полупроводниковый источник триггерных запутанных пар фотонов». Природа 439 (7073): 179–182. Дои:10.1038 / природа04446. ISSN  0028-0836.
16. Ульрих, С. М .; Gies, C .; Ates, S .; Wiersig, J .; Reitzenstein, S .; Hofmann, C .; Löffler, A .; Forchel, A .; Jahnke, F .; Михлер, П. (2007). "Фотонная статистика полупроводниковых лазеров с микрорезонаторами". Письма с физическими проверками 98 (4). Дои:10.1103 / PhysRevLett.98.043906. ISSN  0031-9007.
17. Асманн, Марк; Байер, Манфред (2011). «Определение нелинейности методом фотонно-статистической спектроскопии возбуждения». Физический обзор A 84 (5).Дои:10.1103 / PhysRevA.84.053806. ISSN  1050-2947.
18. Reithmaier, J. P .; Sęk, G .; Löffler, A .; Hofmann, C .; Kuhn, S .; Reitzenstein, S .; Келдыш, Л. В .; Кулаковский, В. Д .; Reinecke, T. L .; Форчел, А. (2004). «Сильная связь в системе одиночная квантовая точка – полупроводник с микрополостью». Природа 432 (7014): 197–200. Дои:10.1038 / природа02969. ISSN  0028-0836.
19. Йоши, Т .; Scherer, A .; Хендриксон, Дж .; Хитрова, Г.; Gibbs, H.M .; Rupper, G .; Ell, C .; Щекин, О. Б. и др. (2004). "Вакуумное расщепление Раби одиночной квантовой точкой в ​​нанополости фотонного кристалла". Природа 432 (7014): 200–203. Дои:10.1038 / природа03119. ISSN  0028-0836.
20. Förstner, J .; Вебер, С .; Danckwerts, J .; Кнорр, А. (2003). "Затухание с помощью фононов колебаний Раби в полупроводниковых квантовых точках". Письма с физическими проверками 91 (12). Дои:10.1103 / PhysRevLett.91.127401. ISSN  0031-9007.
21. Кармеле, Александр; Рихтер, Мартен; Чоу, Weng W .; Кнорр, Андреас (2010). «Антигруппировка теплового излучения фононной ванной при комнатной температуре: численно решаемая модель для системы с сильным взаимодействием света-материи-резервуара». Письма с физическими проверками 104 (15). Дои:PhysRevLett.104.156801. ISSN  0031-9007.
22. Schneebeli, L .; Кира, М .; Кох, С. (2008). "Характеристика сильного взаимодействия света и вещества в полупроводниковых квантово-точечных микрополостях с помощью фотонной статистической спектроскопии". Письма с физическими проверками 101 (9). Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.097401. ISSN  0031-9007 }.
23. Рейнхард, Андреас; Волц, Томас; Вингер, Мартин; Бадолато, Антонио; Хеннесси, Кевин Дж .; Hu, Evelyn L .; Имамоглу, Атач (2011). «Сильно коррелированные фотоны на чипе». Природа Фотоника 6 (2): 93–96. Дои:10.1038 / nphoton.2011.321. ISSN  1749-4885.

дальнейшее чтение

• Янке, Ф. (2012). Квантовая оптика с полупроводниковыми наноструктурами. Woodhead Publishing Ltd. ISBN  978-0857092328..
• Кира, М .; Кох, С. В. (2011). Полупроводниковая квантовая оптика. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521875097..
• Уоллс, Д. Ф .; Милберн, Г. Дж. (2008). Квантовая оптика. Springer. ISBN  978-3540285731..
• Vogel, W .; Велш, Д.-Г. (2006). Квантовая оптика: введение. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN  978-3527405077..
• Gerry, C.C .; Найт, П. Л. (2010). Введение в квантовую оптику. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521527354..
• Скалли, M.O .; Зубайри, М. С. (1997). Квантовая оптика. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521435956..
• Шлейх, В. П. (2001). Квантовая оптика в фазовом пространстве. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN  978-3527294350..