Nature Nanotech. 半導體光子分類器

東芝歐洲研究有限公司劍橋實驗室和劍橋大學的研究人員近日在單光子分類和篩選問題上獲得突破。在單個光子水平上獲取大量的非線性效應是一個重大挑戰，這對于量子光學測量和信息處理等有著巨大的潛在價值。隨著近幾年的發展，最靠譜的方法之一是從量子發射器散射相干光，在光子上印記量子相關性。作者報道了光子間有效的相互作用，通過利用與單片集成腔微弱耦合的單一半導體量子點進行控制。作者發現，轉變的非線性改變了泊松分布光束的計數統計，按數量對光子進行分類。這被用于在檢測對象之間創立強相關性，以及使用單一旋轉從非相關光創建偏振相關光子。這一發現為可通過單量子光控制的半導體光學開關，鋪設了道路。

圖1 使用二級系統（TLS）控制單個光子

A, 發射器能級圖。當弱的非線性光學泵Pn導致在點陣中捕獲孔洞時，共振場Ω僅與在h+和X+之間的轉變耦合。
B, 系統示意圖。單一轉變（綠色）能夠通過導引控制傳輸和反射。
C, 計算所得的電場轉變的實部（黑色）和虛部（紅色）與能量解諧存在函數關系。

圖2 不經過偏振過濾的共振熒光

A, 實驗裝置示意圖。
B, 在11K和240pW的入射功率下，收集不經過偏振過濾的光自相關直方圖g(2)(t)。
C&D, 強度掃描與Δ的函數關系。空心圓：基態中存在電荷；實心圓：沒有電荷。收集偏振與驅動場平行（C）/與驅動場垂直（D）。

圖3 用數量進行光子分類

A, 輸入偏振和檢測極相當時的收集強度。紅色，基態中存在載體；黑色，基態中沒有載體。
B, 相同測量值的計算結果。
C&D, 相同條件下的實驗（C）和模擬（D）結果，收集偏振設置為屏蔽腔洞的反射光。
E&F, 實驗（E）和模擬（F）的光子統計數值，g(2)(t)，與Δ呈函數關系。
G-L, 單個光子的自相關測量。在Δ為固定值：-8.7μeV（G,H），+2.1μeV（I,J），+6.8μeV（K,L）時。

圖4 通過具有單一旋轉的偏振進行光子分類

A, 兩個簡并轉變散射得到水平的（H）偏振輸入，每個轉變與不同的基態孔璇相耦合。散射光子偏振由這種旋轉決定。
B, 偏振關聯性測量。散射光子常規圓偏（藍色）和正交圓偏（黑色），偏振關聯程度用粉色表示。

小結:
作者成功地利用光子數量和偏振，對單量子點陣的弱相干光束的非線性反射進行了研究。作者發現，轉變中產生的相干散射光產生了光子間的相互作用，能夠產生強關聯光子而不需要施加強耦合場或強光場。并且作者實現了依據數量和偏振對光子進行分類和篩選。

參考原文鏈接：A semiconductor photon-sorter?(Nature Nanotech. ?2016，DOI:10.1038/NNANO.2016.113)

本文由編輯部提供素材，李卓整理編譯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。