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凝聚态物理 > 中尺度与纳米尺度物理

arXiv:2505.06792 (cond-mat)
[提交于 2025年5月11日 (v1) ,最后修订 2025年7月10日 (此版本, v2)]

标题: 超辐射增强的光-物质相互作用在空间有序形状和体积控制的单个量子点中的应用:实现片上光子网络

标题: Superradiance Enhanced Light-Matter Interaction in Spatially Ordered Shape and Volume Controlled Single Quantum Dots: Enabling On-Chip Photonic Networks

Authors:Lucas Jordao, Qi Huang, Swarnabha Chattaraj, Siyuan Lu, Jiefei Zhang, Anupam Madhukar
摘要: 片上光子网络需要适当空间有序的物质-光子转换量子比特源,其发射性能指标要超过能够实现网络所需功能响应的要求。最近已经证明,顶部台面单量子点(MTSQDs)能够满足这些要求。支撑这些独特量子发射器实现的基板编码尺寸减小外延(SESRE)方法允许对这些外延单量子点的形状、尺寸和应变(晶格匹配或不匹配)进行控制。我们利用MTSQDs这一独特特性,可重复地创建表现出单光子超辐射的量子点阵列,这是SESRE启用的约束势体积、深度、由此产生的激子结合能以及激子质心(CM)运动限制程度之间的微妙平衡的特征。扫描透射电子显微镜(STEM)研究揭示了定义电子约束区域(即量子点)形状和体积(此处为大)的材料区域的结构(原子尺度)和化学(纳米尺度)性质。在激子弱质心约束区域,由于其对大体积的相干采样,展示了MTSQD振子强度增强至约30。结合STEM发现的理论建模为单光子超辐射导致振子强度增强约2.5到3提供了佐证。我们的发现使得能够制造和研究由独特的物质量子比特-光子量子比特转换单元所实现的互连网络,这些单元可以针对覆盖紫外到中红外波长范围的晶格匹配和不匹配材料组合实现。
摘要: On-chip photonic networks require adequately spatially ordered matter-photon interconversion qubit sources with emission figures-of-merit exceeding the requirements that would enable the desired functional response of the network. The mesa-top single quantum dots (MTSQDs) have recently been demonstrated to meet these requirements. The substrate-encoded size-reducing epitaxy (SESRE) approach underpinning the realization of these unique quantum emitters allows control on the shape, size, and strain (lattice-matched or mismatched) of these epitaxial single quantum dots. We have exploited this unique feature of the MTSQDs to reproducibly create arrays of quantum dots that exhibit single photon superradiance, a characteristic of the SESRE-enabled delicate balance between the confinement pontential volume, depth, the resulting exciton binding energy, and the degree of confinement of the center of mass (CM) motion of the exciton. Scanning transmission electron microscope (STEM) studies reveal the structural (atomic scale) and chemical (nm scale) nature of the material region defining the notion of the shape and volume (here large) of the electron confinement region (i.e. the QD). In the exciton's weake CM confinement regime, owing to its coherent sampling of the large volume, enhancement of the MTSQD oscillator strength to ~30 is demonstrated. Theoretical modelling with input from the STEM finding provide corroboration for single photon superradiance causing enhancement of the oscillator strength by ~2.5 to 3. Our findings allow fabricating and studying interconnected networks enabled by the unique matter qubit-light qubit interconversion units that can be realized for lattice matched and mismatched material combinations covering UV to midinfrared wavelength range.
评论: 26页,4图
主题: 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci); 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2505.06792 [cond-mat.mes-hall]
  (或者 arXiv:2505.06792v2 [cond-mat.mes-hall] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.06792
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Lucas Jordao [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 5 月 11 日 00:18:09 UTC (1,010 KB)
[v2] 星期四, 2025 年 7 月 10 日 19:09:21 UTC (1,072 KB)
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