俵 毅彦 鎌田英彦 Stephen Hughes*
量子光物性研究部 *Queen’s University
単一励起子と単一輻射場間の相互作用制御は、量子光学における学術的興味と量子情報処理に向けた単一光子光源等への応用の可能性などから近年盛んに研究が進められている[1]。半導体フォトニック結晶(PhC) を用いた最近の研究では、励起子−共振モード間のエネルギー差（離調）が大きいにもかかわらず、共振モードが強く発光するという興味深い現象が観測されている。我々はこのような共振モード発光の物理的起源とそれが単一光子発生に与える影響について実験的に調べた[2]。
試料としてInAs量子ドットを有するGaAsスラブにPhC共振器が作製された。図1の左側に温度4 Kにおける共振モード離調時のPL強度マップ（GaAsバリア励起）を示す。縦軸は離調のために供給した窒素ガスの供給回数を示す。これより離調が大きいにもかかわらず、強い共振モード発光が見られることが分かる。さらに共鳴時（ゼロ離調時）には、非共鳴時と比べ約9倍の発光強度の増強が観測された。
この共振モード発光が光子統計へ与える影響を明らかにするために、光子強度の2次の自己相関関数g(2)(τ) を測定した。非共鳴共振モードでは、gc(2)(0)〜1となり古典的統計を示した。これより共振モード発光はGaAsバリア中の深い欠陥準位が共振モードを介して光子放出をしていることが明らかとなった。また非共鳴励起子では gX(2)(0)=0.57のアンチバンチングが観測され、単一励起子による単一光子発生が生じていることが分かる。興味深いことに、励起子・共振 モードがゼロ離調となる共鳴時にはより強い強度相関
g(2)C+X(0)=0.35を示した。この相互作用系では励起子−共振器結合が強い（約9倍の自然放出増強を有する）ことから、共鳴時には深い欠陥準位による共振モード発光が強く抑制されると同時に励起子からの単一光子発生レートが増強され、より非古典的な光子統計を示したものであると考えられる。これら実験結果は媒質依存マスター方程式モデルを用いて理論的にも説明できることが分かった。
本研究の一部は総務省SCOPEの援助を受けて行われた。
[1] 例えばK. Hennessy et al., Nature 445 (2007) 896.
[2] T. Tawara et al., Opt. Express 17 (2009) 6643.
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| 図１ 温度4 Kにおける共振モード離調時のPL強度マップと光子強度の2次の自己相関関数。 |