論文の概要: Quantum emitters in silicon: Purcell-enhanced lifetime modulation as a probe of local refractive index changes

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.14342v2
• Date: Tue, 22 Apr 2025 13:53:51 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-30 11:50:01.773858
• Title: Quantum emitters in silicon: Purcell-enhanced lifetime modulation as a probe of local refractive index changes
• Title（参考訳）: シリコン中の量子エミッタ:局所屈折率変化のプローブとしてのパーセル強化寿命変調
• Authors: Yevhenii Morozov, Anatoliy Lapchuk,
• Abstract要約: シリコンフォトニックキャビティに埋め込まれた量子エミッタは、ナノスケールでの屈折率検知のための強力でスケーラブルなプラットフォームを提供する。 本稿では,エミッタの自発寿命のパーセル変調に基づく新しいセンシング機構を提案し,理論的に解析する。 シリコン中のT中心のような長寿命エミッタは、一意に有利であり、秒単位の寿命シフトを解消できることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum emitters embedded in silicon photonic cavities offer a powerful and scalable platform for label-free refractive index sensing at the nanoscale. We propose and theoretically analyze a novel sensing mechanism based on Purcell-enhanced modulation of the emitter's spontaneous emission lifetime, enabling detection of refractive index changes via time-correlated single-photon counting (TCSPC). In contrast to traditional resonance-shift sensors, our approach exploits the lifetime sensitivity to variations in the local density of optical states (LDOS), providing an intensity-independent, spectrally unresolvable, and CMOS-compatible sensing modality. We derive analytical expressions linking refractive index perturbations to relative lifetime shifts and identify an optimal off-resonance operation regime, where the lifetime response becomes linear and maximally sensitive to small perturbations. Parametric evaluation of the analytical expressions shows that, for moderate-quality photonic cavities (Q = 10^5 to 10^7), this method enables refractive index detection limits as low as 10^{-9} RIU, competitive with or even outperforming state-of-the-art plasmonic and microresonator sensors, yet requiring significantly simpler instrumentation. Furthermore, we show that long-lived emitters such as T-centers in silicon provide a unique advantage, allowing sub-nanosecond lifetime shifts to be resolved with standard TCSPC systems. Although room-temperature operation of quantum emitters in silicon has yet to be demonstrated, our results lay the theoretical foundation for scalable, room-temperature, quantum-enabled sensing of refractive index changes, eliminating the need for spectral resolution and cryogenic infrastructure.
• Abstract（参考訳）: シリコンフォトニックキャビティに埋め込まれた量子エミッタは、ナノスケールでのラベルなし屈折率検知のための強力でスケーラブルなプラットフォームを提供する。 本稿では,Purcell-enhanced modulation of the spontaneous emission lifetimeに基づく新しいセンシング機構の提案と理論的解析を行い,時間関連単一光子計数(TCSPC)による屈折率変化の検出を可能にする。 従来の共鳴シフトセンサとは対照的に、光学状態の局所密度(LDOS)の変動に対する寿命感度を生かし、強度非依存性、スペクトル分解性、CMOS互換の感度モードを提供する。 我々は、屈折率摂動と相対寿命シフトを結びつける解析式を導出し、寿命応答が線形となり、小さな摂動に最も敏感になる最適オフ共振演算系を同定する。 解析式をパラメトリックに評価したところ、中質なフォトニックキャビティ(Q = 10^5 から 10^7 )では10^{-9} RIUの屈折率検出限界を許容し、最先端のプラズモニック・マイクロ共振器センサーと競合し、しかもはるかに単純な計器を必要とすることがわかった。 さらに, シリコン中のT中心のような長寿命エミッタは, ナノ秒以下の寿命シフトを標準TCSPCシステムで解決できるという, ユニークな利点があることを示した。 シリコン中の量子エミッタの室温動作はまだ実証されていないが、我々の研究結果は、スケーラブルで室温で量子を許容する屈折率変化の検知の理論的基礎を築き、スペクトル分解能と極低温インフラの必要性を排除した。

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