Details

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.

Subject of study. A single quantum dot from InAs in a one-dimensional photonic crystal based on GaAs. Aim of study. Development of a method for controlling the frequencies of photons emitted by a single quantum dot in a one-dimensional photonic crystal based on the effect of changes in the electromagnetic mass of an electron in the photonic crystal medium. Method. The proposed method is based on the effect of changing the electromagnetic mass of an electron in the photonic crystal medium. It manifests itself in the form of corrections to the energy levels of electrons, depending on the optical density of the medium. To control the latter, we propose to use the injection of free charge carriers and the quadratic electro-optic Kerr effect. Main results. Using the example of quantum transitions between the p- and s-states of a hydrogen-like quantum dot from InAs placed in the air-voids of a one-dimensional photonic crystal from GaAs, the fundamental possibility of controlling in situ the frequencies of photons emitted by a quantum dot was shown. This is possible based on the effect of changing the electromagnetic mass of an electron, as well as adjusting the refractive index of a photonic crystal by injection of free charge carriers and the electro-optic Kerr effect. The calculations carried out for the conditions described above showed that the range of photon energy control available in the experiment is small (several tens of microelectronvolts) to use in practice, and the displacement effect is inferior in order of magnitude to that already observed in the experiment. At the same time, we draw attention to the fact that the magnitude of the displacement of energy levels under the influence of the quantum electrodynamic effect under study depends quadratically on the refractive index of the material from which the photonic crystal is made. Therefore, we expect that the method described here will be significantly scaled as the optical density of the substance increases. Such photonic crystals can be obtained using metamaterials with a high refractive index. Practical significance. The results obtained in the work of developing a method for controlling the frequencies of photons emitted by a single quantum dot in a one-dimensional photonic crystal will serve as the basis for the implementation of the photon-emitter interface, which contains key quantum functionality such as photonic qubits, single-photon light sources, as well as nonlinear quantum photon-photon gates.