量子点及微腔

探索微纳量子世界

  • 观察相对较大结构中的量子效应
  • 用于研究共振频率的广域无跳模可调谐激光
  • 应用方向:单光子光源,量子计算机中的量子比特,电信设备,频率梳或非线性光学

 

量子点及微腔对于许多应用已变得越来越重要,例如单光子源,量子计算机中量子计算机的量子比特,电信设备,频率梳或非线性光学。这些应用有很多接近量子极限,并且依赖于高性能光源,从而能够满足其对于线宽,噪声,高分辨率调频,灵活度以及控制方面的苛刻要求。通常,人们运用无跳模可调谐窄线宽激光来检测,研究和使用量子点及微腔的共振频率。

微腔

由于环境量子退相干,除非使用几何形状特殊的样品并加以冷却,在宏观物体中通常无法观察到量子特性。而利用微腔为在相对较大,微米量级结构中观察量子效应提供了一种可能性。图示为直径约30微米的独立环形玻璃微腔。这样的几何形状使得它不仅是宏观层面上的机械振荡器,同时也是高Q值环形光学振荡器。某些特定波长的逛可以通过倏逝波耦合入微腔中。谐振光通过全反射从环形腔内壁反弹,从而通过辐射压力向此结构传递微小的压力。

通过这种方式,耦合光可影响结构的振动行为,反之亦然。这使得微腔成为量子领域一个有趣的研究对象。例如,在参考文献[1]中科学家观察到光与机械振动的耦合。在参考文献[2]中,一个基于光机械耦合的感应器被用以实现微腔的有源反馈冷却。

由于微腔的尺寸小,他们的自由光谱范围相对较大,即便是很小的几何尺寸变化都会带来较大的谱线漂移。因此,广域无跳模可调激光对于寻找和研究微腔共振频率是非常有价值的。

微腔的光谱特性与其几何大小以及其他环境参数有关,这些特点可被应用于溶液中单生物分子的无标记检测,这是一个非常有前景的领域。该应用的实现需要利用微型环状光谐振器配合广域无跳模可调谐激光(如CTL)。参考文献[3]描述了如何将这样的激光稳定至微型环状光谐振腔,以及如何观察由附着在微腔上的分子导致的光共振频率变化。激光将随之变换频率,通过对激光频率漂移的检测,可探测并分辨半径介于2nm至100nm之间的粒子。

量子点

半导体量子点是一种具有源自特性的微纳结构,它的有趣性质来源于其微小的尺寸和三维约束。由于收到约束,量子点中的电子能态得以量子化,而这种结构常被称为人工原子。与原子类似的性质已通过强光子反聚束现象以及近寿命限制线宽得以验证。通常而言,量子点是有希望实现量子位的一种系统;而由于半导体材料处理工艺成熟,半导体量子点则非常可能成为可扩展量子计算机的制造基础:与真正的原子不同,半导体量子点的生长和排布均可控。通过将量子点集成至其他半导体结构,例如波导或光晶结构等,即可在无需束缚原子的情况下实现腔体量子电动力学(QED)的实验

在通往可扩展量子位阵列的路上,耦合量子点在最近引起了很多关注。耦合量子点上的电子传输测量已经证明了自旋敏感耦合和电子与核自旋的操纵,研究人员已经通过自组装耦合量子点计算并测得耦合激子的光谱。

量子点能态的共振光学激发对于相干态操纵和检测尤为重要。然而,由于本质上而言量子点的生长过程是随机的,所有的量子点在大小上都稍微有一点区别,从而光共振频率也不尽相同。为了寻找并且共振激发单个量子点的光学跃迁,广域无跳模可调窄线宽激光是理想的工具。