半導体薄膜による量子もつれ光子対生成：最適な膜厚の探索と共振器効果の理論的研究

半导体薄膜中量子纠缠光子对的产生：寻找最佳膜厚和谐振器效应的理论研究

基本信息

批准号：
19K03705
负责人：
安食博志
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tokyo Denki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

薄膜における励起子分子の輻射崩壊による量子もつれ光子対の生成における共振器効果を考える際，励起子分子から表面励起子ポラリトンへの遷移確率を調べる必要がある．しかし，これまで共振器中の薄膜における表面励起子ポラリトン（共振器表面ポラリトン）は知られていなかった．そこで，共振器表面ポラリトンの状態をエネルギー分散を理論的に解析した．共振器表面ポラリトンの状態を計算するためには，共振器の内外を含む全空間における光のモードの複素固有振動数（実部が共鳴振動数，虚数部がスペクトル幅）を求める必要がある．ここでは，最も単純な共振器のモデルとして，2枚の空間座標に関するデルタ関数型の鏡を並べた共振器を考え，光のモード複素固有振動数と表面ポラリトンの分散関係に関する非線形方程式を導出した．この非線型方程式に含まれる項には至る所で激しく変化する関数の積分が含まれているため，数値積分は極めて困難である．ただし，この激しい変化は複素固有振動数に由来するものなので，複素積分を用いて解析的に計算できる．その結果を用いて非線型方程式を数値的に解くことにより共振器中の表面ポラリトンの分散関係を求めた．通常の表面ポラリトンの分散は１個の分枝のみであるが，共振器表面ポラリトンはバルクのポラリトンと同様に２個の分枝からなる．これは，光のモードに共振器由来の表面モードが存在し，その分散はバルクの光の分散の外側にあるからである．つまり，共振器の表面モードの光分散と薄膜中の励起子のエネルギー分散が互いに交差するような分散関係が得られる．半導体薄膜の膜厚を大きくすると準位交差が大きくなるが，その変化はあまり大きくない．また，共振器のQ値を変えると準位交差の大きさはほとんど変化しないが，準位交差が起きるエネルギーは大きく変化する．

当考虑薄膜中激子分子的辐射衰变产生纠缠光子对的空腔效应时，有必要研究从激子分子到表面激子极化子的跃迁概率。然而，迄今为止，谐振器内部薄膜中的表面激子极化子（腔表面极化子）尚不为人所知。因此，我们从理论上分析了谐振器表面极化子态的能量色散。为了计算谐振腔表面极化子的状态，需要找到光模在包括内部和外部的整个空间中的复固有频率（实部是谐振频率，虚部是谱宽）。在谐振器外部。这里，作为最简单的谐振器模型，我们考虑一个谐振器，其中布置了两个关于空间坐标的δ函数类型的镜子，并且我们推导了关于光模复固有频率和表面极化子之间的色散关系的非线性方程．．数值积分极其困难，因为该非线性方程中包含的项包括随处急剧变化的函数的积分。然而，由于这种剧烈的变化源于复固有频率，因此可以使用复积分进行分析计算。利用这些结果，我们对非线性方程进行数值求解，以找到谐振器中表面极化子的色散关系。正常表面极化子的色散只有一个分支，但谐振器表面极化子像体极化子一样由两个分支组成。这是因为光学模式包括源自谐振器的表面模式，并且其色散在体光学色散之外。换句话说，获得了谐振器的表面模式的光学色散和薄膜中的激子的能量色散彼此交叉的色散关系。增加半导体薄膜的厚度会增加能级交叉，但变化并不是很大。此外，当谐振器的Q值改变时，电平交叉的幅度几乎没有变化，但是发生电平交叉的能量显着变化。