Spektroskopia kwantowo-optyczna

Spektroskopia kwantowo-optyczna jest kwantowo-optycznym uogólnieniem spektroskopii laserowej , w której materia jest wzbudzana i badana sekwencją impulsów laserowych .

Klasycznie takie impulsy są definiowane przez ich kształt widmowy i czasowy, a także fazę i amplitudę pola elektromagnetycznego . Oprócz tych właściwości światła, aspekty amplitudy fazowej mają wewnętrzne fluktuacje kwantowe, które są głównym przedmiotem zainteresowania optyki kwantowej . W zwykłej spektroskopii laserowej wykorzystuje się jedynie klasyczne aspekty impulsów laserowych rozchodzących się przez materię, taką jak atomy lub półprzewodniki . W spektroskopii kwantowo-optycznej wykorzystuje się dodatkowo fluktuacje kwantowo-optyczne światła w celu zwiększenia możliwości spektroskopowych poprzez bezpośrednie kształtowanie i/lub wykrywanie kwantowych fluktuacji światła. Spektroskopia kwantowo-optyczna ma zastosowanie w kontrolowaniu i charakteryzowaniu dynamiki kwantowej stanów wielu ciał, ponieważ można uzyskać bezpośredni dostęp do dużego zestawu wielu ciał , co nie jest możliwe w klasycznej spektroskopii.

Wstrzykiwanie stanu kwantowo-optycznego

Ogólne pole elektromagnetyczne można zawsze wyrazić w kategoriach rozszerzenia modów , w którym poszczególne elementy tworzą kompletny zestaw modów. Takie mody można konstruować różnymi metodami i mogą to być np. stan własny energii, ogólne mody przestrzenne lub mody czasowe. Po wybraniu tego trybu światła , ich wpływ na skwantowane pole elektromagnetyczne można opisać za pomocą operatorów tworzenia i anihilacji bozonów i $sztylet}}$ { $odpowiednio$ dla fotonów . Kwantowe $}$ korelacji $_ B ^ {K} \$ $rangle$ , które zawierają czyste korelacje cząstek, zgodnie z klastrów Używając tego samego Formalizm drugiej kwantyzacji dla badanej materii, typowe wzbudzenia elektroniczne w materii mogą być opisane przez operatory Fermiona dla wzbudzeń elektronowych i dziur, tj. wakatów elektronicznych pozostawionych w stanie podstawowym wielu ciał . Odpowiednie wzbudzenia elektron-dziura można opisać za pomocą $i$ $,$ tworzą elektron –odpowiednio para otworów.

W kilku istotnych przypadkach oddziaływanie światła z materią można opisać za pomocą oddziaływania dipolowego

${\ Displaystyle {\ kapelusz {H}} _ {\ operatorname {lm}} = - \ suma {\ mathcal {F}} \, {\ kapelusz {B}} {\ kapelusz {X}} ^ {\ sztylet }+\mathrm {hc} \,,}$

gdzie sumowanie obejmuje w sposób dorozumiany wszystkie możliwości utworzenia pary elektron-dziura ( $\$ ) poprzez absorpcję fotonów (część $}} część$ ); Hamiltonian zawiera również koniugat hermitowski (w skrócie hc) terminów, które są wyraźnie zapisane. Siłę sprzężenia między $materią$ definiuje .

$są$ rezonansowo światłem jednomodowym , korelacje fotonów bezpośrednio wprowadzane do korelacji wielu ciał Mówiąc dokładniej, podstawowa forma interakcji światło-materia nieuchronnie prowadzi do relacji korelacja-przeniesienie

${\ Displaystyle \ Delta \ langle \ lewo [{\ kapelusz {X}} ^ {\ sztylet }\right]^{J}{\kapelusz {X}}^{K}\rangle =\eta ^{\frac {J+K}{2}}\Delta \langle \left[B^{\sztylet } \right]^{J}B^{K}\rangle \,,}$

pomiędzy fotonami a wzbudzeniami elektron-dziura. Ściśle mówiąc, zależność ta obowiązuje przed wystąpieniem rozpraszania wywołanego kulombowskimi i fononowymi w ciele stałym. Dlatego pożądane jest stosowanie impulsów laserowych, które są szybsze niż dominujące procesy rozpraszania. Tryb ten jest stosunkowo łatwy do zrealizowania we współczesnej spektroskopii laserowej, ponieważ lasery mogą już wytwarzać femtosekundowe , a nawet attosekundowe , z dużą precyzją sterowania.

Realizacja

Fizycznie relacja korelacja-przeniesienie oznacza, że można bezpośrednio wprowadzić pożądane stany wielu ciał, po prostu dostosowując fluktuacje kwantowe impulsu świetlnego, o ile impuls świetlny jest wystarczająco krótki. Otwiera to nową możliwość badania właściwości odrębnych stanów wielu ciał, gdy spektroskopia kwantowo-optyczna zostanie zrealizowana poprzez kontrolowanie fluktuacji kwantowych źródeł światła. Na przykład koherentnym jest całkowicie opisany przez wartość oczekiwaną pojedynczej cząstki. ${\ displaystyle \ langle {\ kapelusz {B}} \ rangle}$ . Dlatego takie wzbudzenie bezpośrednio wprowadza właściwość, $polaryzację$ związaną z przejściami elektron Aby bezpośrednio wzbudzić związane pary elektron-dziura, tj. Ekscytony , opisane przez korelację dwóch cząstek ${\ Displaystyle \ Delta \ langle {\ kapelusz {X}} ^ {\ sztylet} {\ kapelusz {X}}\rangle }$ lub przejście biexciton ${\ Displaystyle \ Delta \ langle {\ kapelusz {X}} \, {\ kapelusz {X}} \ rangle} , trzeba mieć$ źródło z ${\ displaystyle \ Delta \ langle {\ kapelusz {B}} ^ {\ sztylet {\ kapelusz {B}} \ rangle}$ lub ${\ Displaystyle \ Delta \ langle {\ kapelusz {B}} {\ kapelusz {B} }\rangle }$ korelacje fotonów, odpowiednio.

potrzebne są źródła światła o dużej intensywności z dowolnie regulowaną statystyką kwantową , które obecnie nie są dostępne. Można jednak zastosować metody projekcyjne, aby uzyskać dostęp do kwantowo-optycznej odpowiedzi materii na podstawie zestawu klasycznych pomiarów. W szczególności metoda przedstawiona przez Kirę, M. i in. jest solidna w prognozowaniu odpowiedzi kwantowo-optycznych rzeczywistych układów wielociałowych. Praca ta pokazała, że rzeczywiście można odkryć i uzyskać dostęp do właściwości wielu ciał, które pozostają ukryte w klasycznej spektroskopii. Dlatego spektroskopia kwantowo-optyczna idealnie nadaje się do charakteryzowania i kontrolowania skomplikowanych stanów wielu ciał w kilku różnych układach, począwszy od cząsteczki do półprzewodników .

Związek z półprzewodnikową optyką kwantową

Spektroskopia kwantowo-optyczna jest ważnym podejściem w ogólnej optyce kwantowej półprzewodników . Zdolność do rozróżniania i kontrolowania stanów wielu ciał jest z pewnością interesująca w przypadku rozszerzonych półprzewodników, takich jak studnie kwantowe , ponieważ typowe klasyczne wzbudzenie bezkrytycznie wykrywa udziały z wielu konfiguracji wielu ciał; Dzięki spektroskopii kwantowo-optycznej można uzyskać dostęp do pożądanego stanu wielu ciał w rozszerzonym półprzewodniku i kontrolować go. Jednocześnie idee spektroskopii kwantowo-optycznej mogą być również przydatne przy badaniu prostszych układów, takich jak kropki kwantowe .

Kropki kwantowe to półprzewodnik odpowiednik prostych układów atomowych, w przypadku których zmierzono większość pierwszych demonstracji kwantowo-optycznych. Ponieważ kropki kwantowe są dziełem człowieka, można je dostosować w celu wytworzenia nowych komponentów kwantowo-optycznych dla technologii informatycznych . Na przykład w informatyce kwantowej często interesują się źródłami światła, które na żądanie mogą emitować fotony lub splątane pary fotonów o określonych częstotliwościach. Źródła takie zostały już zademonstrowane za pomocą kropek kwantowych, kontrolując ich emisję fotonów za pomocą różnych schematów. W ten sam sposób kropka kwantowa lasery mogą wykazywać niezwykłe zmiany w warunkowym prawdopodobieństwie emisji fotonu, gdy wyemitowany został już jeden foton; efekt ten można zmierzyć tzw. korelacją g ² . Jedną z interesujących możliwości spektroskopii kwantowo-optycznej jest pompowanie kropek kwantowych światłem kwantowym w celu dokładniejszej kontroli ich emisji światła.

nad mikrownękami z kropkami kwantowymi postępują szybko od czasu eksperymentalnej demonstracji rozszczepiania próżni Rabiego pomiędzy pojedynczą kropką a rezonansem wnęki. Reżim ten można zrozumieć na podstawie modelu Jaynesa – Cummingsa, podczas gdy aspekty półprzewodników zapewniają wiele nowych efektów fizycznych dzięki sprzężeniu elektronicznemu z wibracjami sieci .

Niemniej jednak kwantowe rozszczepienie Rabiego – wynikające bezpośrednio ze skwantowanych poziomów światła – pozostało nieuchwytne, ponieważ w wielu eksperymentach monitorowano jedynie intensywność fotoluminescencji . Kierując się ideologią spektroskopii kwantowo-optycznej, nr ref. przewidzieli, że rozszczepienie kwantowe Rabiego można rozwiązać w pomiarze korelacji fotonów, nawet jeśli zostanie rozmazane w widmie fotoluminescencji. ^wykazane eksperymentalnie poprzez pomiar tzw. korelacji g2 , które określają ilościowo częstotliwość emisji fotonów przez kropkę kwantową wewnątrz mikrownęki.

Zobacz też

Dalsza lektura

Jahnke, F. (2012). Optyka kwantowa z nanostrukturami półprzewodnikowymi . Woodhead Publishing Ltd. ISBN 978-0857092328 . .
Kira, M.; Koch, SW (2011). Półprzewodnikowa optyka kwantowa . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. ISBN 978-0521875097 . .
Ściany, DF; Milburn, GJ (2008). Optyka kwantowa . Skoczek. ISBN 978-3540285731 . .
Vogel, W.; Welsch, D.-G. (2006). Optyka kwantowa: wprowadzenie . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3527405077 . .
Gerry, CC; Rycerz, PL (2010). Wprowadzenie do optyki kwantowej . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. ISBN 978-0521527354 . .
Scully, MO; Zubairy, MS (1997). Optyka kwantowa . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. ISBN 978-0521435956 . .
Schleich, WP (2001). Optyka kwantowa w przestrzeni fazowej . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3527294350 . .