北京量子信息科學研究院袁之良團隊聯合中國科學院半導體研究所，在固態量子光源研究方面取得重要進展，使量子點產生的光源由“獨生子”變為“雙胞胎”。該研究團隊成功制備出一種基于量子點—微柱腔耦合體系的高效率、高純度雙光子發射器。該器件利用創新的暗態雙激子激發路徑，并結合腔增強的簡并雙激子—激子級聯輻射，大幅度提升了雙光子發射效率與純度。3月2日，相關成果以“基于暗態雙激子加載的Purcell增強型量子點雙光子發射”為題在線發表于《自然·材料》。
確定性雙光子態，是量子計量、量子成像和量子生物醫學應用中的關鍵資源。然而，傳統基于非線性參量過程的雙光子源本質上服從泊松統計，存在多光子事件概率不可忽略的問題。盡管單量子點可通過雙激子級聯輻射產生光子對，但如何高效填充雙激子態并同時實現高亮度、高純度的雙光子發射，一直是該領域的核心挑戰。
經過多年研究，該研究團隊提出并實現了一種全新的解決方案。團隊將單個In(Ga)As量子點嵌入微柱光學腔中，利用p殼層共振激發技術，選擇性地將載流子填充至長壽命的暗激子態，從而繞過亮激子的快速輻射復合通道，實現了對雙激子態的高效、確定性加載。與此同時，該體系中的雙激子與激子能級近乎簡并，使得單一腔模可同時增強級聯輻射中的兩個光學躍遷，從而在保持高純度的同時顯著提升雙光子發射效率。
實驗結果顯示：在弱連續光激發下，該光源的零延遲二階關聯函數g(2)（0）高達3966，表現出極強的雙光子聚束效應；在脈沖激發模式下，基于二階和三階關聯測量的光子數分布重建表明，98.3%的發射光子以光子對形式出現，雙光子發射效率在第一個物鏡處達到29.9%。這是目前固態量子光源中雙光子純度與效率兼具的領先結果。
進一步的時間分辨關聯測量揭示了該體系中的受激輻射機制：由于雙激子與激子能級簡并，第一個雙激子光子的發射會加速后續激子光子的輻射，從而增強雙光子的時間關聯性。
該研究團隊還建立了速率方程模型，成功復現了實驗中觀測到的功率依賴性和聚束行為，為理解雙光子發射動力學提供了理論框架。（記者 張偉）
轉自：中國高新技術產業導報
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