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Espectroscopia cuántico-óptica

La espectroscopia cuántico-óptica [ 1 ] [ 2 ] es una generalización cuántico-óptica de la espectroscopia láser donde la materia se excita y se analiza con una secuencia de pulso...

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La espectroscopia cuántico-óptica [ 1 ] [ 2 ] es una generalización cuántico-óptica de la espectroscopia láser donde la materia se excita y se analiza con una secuencia de pulsos láser .

Clásicamente, estos pulsos se definen por su forma espectral y temporal, así como por la fase y amplitud del campo electromagnético . Además de estas propiedades de la luz, los aspectos de fase y amplitud presentan fluctuaciones cuánticas intrínsecas de gran interés en la óptica cuántica . En la espectroscopia láser convencional , [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] se utilizan únicamente los aspectos clásicos de los pulsos láser que se propagan a través de la materia, como átomos o semiconductores . En la espectroscopia cuántico-óptica, se utilizan adicionalmente las fluctuaciones cuántico-ópticas de la luz para mejorar las capacidades espectroscópicas mediante la conformación y/o detección directa de dichas fluctuaciones . La espectroscopia cuántico-óptica tiene aplicaciones en el control y la caracterización de la dinámica cuántica de estados de muchos cuerpos, ya que permite el acceso directo a un amplio conjunto de estos estados, [ 6 ] [ 7 ] lo cual no es posible en la espectroscopia clásica.

Inyección de estado cuántico-óptico

Un campo electromagnético genérico siempre puede expresarse en términos de una expansión modal donde los componentes individuales forman un conjunto completo de modos. Dichos modos pueden construirse con diferentes métodos y pueden ser, por ejemplo, autoestados de energía, modos espaciales genéricos o modos temporales. Una vez elegidos estos modos ligeros, su efecto sobre el campo electromagnético cuantizado puede describirse mediante operadores de creación y aniquilación de bosones.B^†{\displaystyle {\hat {B}}^{\dagger }} y B^{\displaystyle {\hat {B}}} para fotones , respectivamente. [ 8 ] Las fluctuaciones cuánticas del campo de luz pueden definirse de forma única [ 9 ] mediante las correlaciones de fotones.Δ⟨[B†]JBK⟩{\displaystyle \Delta \langle \left[B^{\dagger }\right]^{J}\,B^{K}\rangle } que contienen el puro(J+K){\displaystyle (J+K)}correlaciones de partículas definidas con el enfoque de expansión de clúster . Utilizando el mismo formalismo de segunda cuantización para la materia estudiada, las excitaciones electrónicas típicas en la materia pueden describirse mediante operadores fermiónicos para excitaciones electrónicas y huecos, es decir, vacantes electrónicas que quedan en el estado fundamental de muchos cuerpos . [ 10 ] Las excitaciones electrón-hueco correspondientes pueden describirse mediante operadoresincógnita^†{\displaystyle {\hat {X}}^{\dagger }}yincógnita^{\displaystyle {\hat {X}}}que crean y aniquilan un par electrón-hueco, respectivamente.

En varios casos relevantes, la interacción luz-materia puede describirse utilizando la interacción dipolar [ 7 ].

H^lmetro=−∑FB^incógnita^†+h.do.,{\displaystyle {\hat {H}}_{\mathrm {lm} }=-\sum {\mathcal {F}}\,{\hat {B}}{\hat {X}}^{\dagger }+\mathrm {hc} \,,}

donde la suma se toma implícitamente sobre todas las posibilidades para crear un par electrón-hueco (elincógnita^†{\displaystyle {\hat {X}}^{\dagger }}parte) a través de la absorción de un fotón (elB^{\displaystyle {\hat {B}}}parte); el hamiltoniano también contiene el conjugado hermitiano (abreviado como hc) de los términos que se escriben explícitamente. La fuerza de acoplamiento entre la luz y la materia se define porF{\displaystyle {\mathcal {F}}}.

Cuando los pares electrón-hueco se excitan resonantemente con una luz monomodoB^{\displaystyle {\hat {B}}}, las correlaciones de fotones se inyectan directamente en las correlaciones de muchos cuerpos. Más específicamente, la forma fundamental de la interacción luz-materia conduce inevitablemente a una relación de transferencia de correlación [ 1 ] [ 7 ]

Δ⟨[incógnita^†]Jincógnita^K⟩=ηJ+K2Δ⟨[B†]JBK⟩,{\displaystyle \Delta \langle \left[{\hat {X}}^{\dagger }\right]^{J}{\hat {X}}^{K}\rangle =\eta ^{\frac {J+K}{2}}\Delta \langle \left[B^{\dagger }\right]^{J}B^{K}\rangle \,,}

entre fotones y excitaciones electrón-hueco. Estrictamente hablando, esta relación es válida antes del inicio de la dispersión inducida por las interacciones de Coulomb y fonones en el sólido. Por lo tanto, es deseable utilizar pulsos láser más rápidos que los procesos de dispersión dominantes. Este régimen es relativamente fácil de lograr en la espectroscopia láser actual, ya que los láseres pueden generar pulsos de femtosegundos , o incluso de attosegundos , con una alta precisión de control.

Realización

Físicamente, la relación de correlación-transferencia significa que se pueden inyectar directamente los estados de muchos cuerpos deseados simplemente ajustando las fluctuaciones cuánticas del pulso de luz, siempre que este sea lo suficientemente corto. Esto abre una nueva posibilidad para estudiar las propiedades de distintos estados de muchos cuerpos, una vez que se logre la espectroscopia cuántico-óptica mediante el control de las fluctuaciones cuánticas de las fuentes de luz. Por ejemplo, un láser de estado coherente se describe completamente por su valor esperado de partícula única.⟨B^⟩{\displaystyle \langle {\sombrero {B}}\rangle }Por lo tanto, dicha excitación inyecta directamente la propiedad⟨incógnita^⟩{\displaystyle \langle {\sombrero {X}}\rangle }Se trata de una polarización relacionada con las transiciones electrón-hueco. Para excitar directamente pares electrón-hueco ligados, es decir, excitones , descritos por una correlación de dos partículas.Δ⟨incógnita^†incógnita^⟩{\displaystyle \Delta \langle {\hat {X}}^{\daga }{\hat {X}}\rangle }o una transición de biexcitónΔ⟨incógnita^incógnita^⟩{\displaystyle \Delta \langle {\hat {X}}\,{\hat {X}}\rangle }, uno necesita tener una fuente conΔ⟨B^†B^⟩{\displaystyle \Delta \langle {\hat {B}}^{\daga }{\hat {B}}\rangle }oΔ⟨B^B^⟩{\displaystyle \Delta \langle {\hat {B}}{\hat {B}}\rangle }correlaciones de fotones, respectivamente.

Para realizar espectroscopia cuántico-óptica, se necesitan fuentes de luz de alta intensidad con estadísticas cuánticas libremente ajustables, las cuales actualmente no están disponibles. Sin embargo, se pueden aplicar métodos proyectivos [ 6 ] [ 11 ] [ 12 ] para acceder a la respuesta cuántico-óptica de la materia a partir de un conjunto de mediciones clásicas. En particular, el método presentado por Kira, M. et al. [ 6 ] es robusto para proyectar respuestas cuántico-ópticas de sistemas genuinos de muchos cuerpos. Este trabajo ha demostrado que es posible revelar y acceder a propiedades de muchos cuerpos que permanecen ocultas en la espectroscopia clásica. Por lo tanto, la espectroscopia cuántico-óptica es ideal para caracterizar y controlar estados complejos de muchos cuerpos en diversos sistemas, desde moléculas hasta semiconductores .

Relación con la óptica cuántica de semiconductores

La espectroscopia cuántico-óptica es un enfoque importante en la óptica cuántica de semiconductores en general . La capacidad de discriminar y controlar estados de muchos cuerpos es ciertamente interesante en semiconductores extendidos como los pozos cuánticos porque una excitación clásica típica detecta indiscriminadamente contribuciones de múltiples configuraciones de muchos cuerpos; con la espectroscopia cuántico-óptica se puede acceder y controlar un estado de muchos cuerpos deseado dentro de un semiconductor extendido. [ 7 ] Al mismo tiempo, las ideas de la espectroscopia cuántico-óptica también pueden ser útiles al estudiar sistemas más simples como los puntos cuánticos .

Los puntos cuánticos son un semiconductor equivalente a los sistemas atómicos simples donde se han realizado la mayoría de las primeras demostraciones cuántico-ópticas. [ 8 ] Dado que los puntos cuánticos son artificiales, es posible personalizarlos para producir nuevos componentes cuántico-ópticos para la tecnología de la información . Por ejemplo, en la ciencia de la información cuántica , suele interesar disponer de fuentes de luz que puedan emitir fotones a demanda o pares de fotones entrelazados a frecuencias específicas. Dichas fuentes ya se han demostrado con puntos cuánticos controlando su emisión de fotones con diversos esquemas. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Del mismo modo, los láseres de puntos cuánticos pueden exhibir cambios inusuales en la probabilidad condicional [ 16 ] de emitir un fotón cuando ya se ha emitido uno; este efecto puede medirse en la denominada correlación g 2 . Una posibilidad interesante para la espectroscopia cuántico-óptica es bombear puntos cuánticos con luz cuántica para controlar su emisión de luz con mayor precisión. [ 17 ]

Las investigaciones sobre microcavidades de puntos cuánticos han progresado rápidamente desde la demostración experimental [ 18 ] [ 19 ] de la división de Rabi en el vacío entre un solo punto y una resonancia de cavidad. Este régimen puede entenderse a partir del modelo de Jaynes-Cummings, mientras que los aspectos semiconductores proporcionan muchos efectos físicos nuevos [ 20 ] [ 21 ] debido al acoplamiento electrónico con las vibraciones de la red .

Sin embargo, el desdoblamiento de Rabi cuántico —que se deriva directamente de los niveles de luz cuantizados— seguía siendo difícil de detectar porque muchos experimentos solo monitorizaban la intensidad de la fotoluminiscencia . Siguiendo la ideología de la espectroscopia cuántico-óptica, la referencia [ 22 ] predijo que el desdoblamiento de Rabi cuántico podría resolverse en la medición de la correlación de fotones , incluso cuando se difumina en el espectro de fotoluminiscencia. Esto se demostró experimentalmente [ 23 ] midiendo las denominadas correlaciones g₂ que cuantifican la regularidad con la que el punto cuántico emite los fotones dentro de una microcavidad.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Kira, M.; Koch, S. (2006). "Espectroscopia cuántico-óptica de semiconductores". Physical Review A 73 (1). doi : 10.1103/PhysRevA.73.013813 . ISSN 1050-2947 . 
  2. ↑ Koch, SW; Kira, M.; Khitrova, G. ; Gibbs, HM (2006). "Excitones de semiconductores bajo una nueva luz". Nature Materials 5 (7): 523–531. doi : 10.1038/nmat1658 . ISSN 1476-1122 . 
  3. ^ Stenholm, S. (2005). Fundamentos de la espectroscopia láser . Pub de Dover. ISBN inc. 978-0486444987.
  4. ↑ Demtröder, W. (2008). Espectroscopia láser: Vol. 1: Principios básicos . Springer. ISBN 978-3540734154.
  5. ↑ Demtröder, W. (2008). Espectroscopia láser: Vol. 2: Técnicas experimentales . Springer. ISBN 978-3540749523.
  6. 1 2 3 Kira, M.; Koch, SW; Smith, RP; Hunter, AE; Cundiff, ST (2011). "Espectroscopia cuántica con estados de gato de Schrödinger". Nature Physics 7 (10): 799–804. doi : 10.1038/nphys2091 . ISSN 1745-2473 . 
  7. 1 2 3 4 Kira, M.; Koch, SW (2011). Óptica cuántica de semiconductores . Cambridge University Press. ISBN 978-0521875097.
  8. 1 2 Walls, DF; Milburn, GJ (2008). Óptica cuántica . Springer. ISBN 978-3540285731.
  9. ↑ Kira, M.; Koch, S. (2008). "Representación de expansión de clúster en óptica cuántica". Physical Review A 78 (2). doi : 10.1103/PhysRevA.78.022102 . ISSN 1050-2947 . 
  10. ↑ Ashcroft, NW; Mermin, ND (1976). Física del estado sólido . Saunders College. ISBN 978-0030839931.
  11. ↑ Sudarshan, E. (1963). "Equivalencia de las descripciones semiclasicas y cuánticas de haces de luz estadísticos". Physical Review Letters 10 (7): 277–279. doi : 10.1103/PhysRevLett.10.277 . ISSN 0031-9007 . 
  12. ↑ Lobino, M.; Korystov, D.; Kupchak, C.; Figueroa, E.; Sanders, BC; Lvovsky, AI (2008). "Caracterización completa de procesos cuántico-ópticos". Science 322 (5901): 563–566. doi : 10.1126/science.1162086 . ISSN 0036-8075 . 
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  17. ↑ Aßmann, Marc; Bayer, Manfred (2011). "Detección de no linealidad mediante espectroscopia de excitación de estadística de fotones". Physical Review A 84 (5). doi : 10.1103/PhysRevA.84.053806 . ISSN 1050-2947 . 
  18. ↑ Reithmaier, JP; Sęk, G.; Löffler, A.; Hofmann, C.; Kuhn, S.; Reitzenstein, S.; Keldysh, LV; Kulakovskii, VD; Reinecke, TL; Forchel, A. (2004). "Acoplamiento fuerte en un sistema de microcavidad semiconductora de un solo punto cuántico". Nature 432 (7014): 197–200. doi : 10.1038/nature02969 . ISSN 0028-0836 . 
  19. ↑ Yoshie, T.; Scherer, A.; Hendrickson, J.; Khitrova, G .; Gibbs, HM; Rupper, G.; Ell, C.; Shchekin, OB et al. (2004). "Desdoblamiento de Rabi en vacío con un único punto cuántico en una nanocavidad de cristal fotónico". Nature 432 (7014): 200–203. doi : 10.1038/nature03119 . ISSN 0028-0836 . 
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  21. ↑ Carmele, Alexander; Richter, Marten; Chow, Weng W.; Knorr, Andreas (2010). "Antibunching de radiación térmica por un baño de fonones a temperatura ambiente: un modelo numéricamente soluble para un sistema de reservorio de luz-materia con fuerte interacción". Physical Review Letters 104 (15). doi : PhysRevLett.104.156801 . ISSN 0031-9007 . 
  22. ↑ Schneebeli, L.; Kira, M.; Koch, S. (2008). "Caracterización del acoplamiento fuerte luz-materia en microcavidades de puntos cuánticos semiconductores mediante espectroscopia de fotoestadística". Physical Review Letters 101 (9). doi : 10.1103/PhysRevLett.101.097401 . ISSN 0031-9007 }. 
  23. ↑ Reinhard, Andreas; Volz, Thomas; Winger, Martin; Badolato, Antonio; Hennessy, Kevin J.; Hu, Evelyn L.; Imamoğlu, Ataç (2011). "Fotones fuertemente correlacionados en un chip". Nature Photonics 6 (2): 93–96. doi : 10.1038/nphoton.2011.321 . ISSN 1749-4885 . 

Lecturas adicionales

  • Jahnke, F. (2012). Óptica cuántica con nanoestructuras semiconductoras . Woodhead Publishing Ltd. ISBN 978-0857092328..
  • Kira, M.; Koch, SW (2011). Óptica cuántica de semiconductores . Cambridge University Press. ISBN 978-0521875097..
  • Walls, DF; Milburn, GJ (2008). Óptica cuántica . Springer. ISBN 978-3540285731..
  • Vogel, W.; Welsch, D.-G. (2006). Óptica cuántica: una introducción . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3527405077..
  • Gerry, CC; Knight, PL (2010). Óptica cuántica introductoria . Cambridge University Press. ISBN 978-0521527354..
  • Scully, MO; Zubairy, MS (1997). Óptica cuántica . Cambridge University Press. ISBN 978-0521435956..
  • Schleich, WP (2001). Óptica cuántica en el espacio de fases . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3527294350..