論文の概要: Tunable giant Purcell enhancement of quantum light emitters by means of acoustic graphene plasmons

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.02907v1
• Date: Tue, 02 Dec 2025 16:23:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-03 21:04:45.963542
• Title: Tunable giant Purcell enhancement of quantum light emitters by means of acoustic graphene plasmons
• Title（参考訳）: 音響グラフェンプラズモンによる量子発光器の可変巨大パーセル増強
• Authors: Justin Gruber, Mahtab A. Khan, Dirk R. Englund, Michael N. Leuenberger,
• Abstract要約: 本研究では,アコースティックグラフェンプラズモン(AGP)を用いて,単一光子,絡み合った光子,多極性量子エミッタに対する巨大パーセル拡張を実現する。 我々の結果は、量子通信や量子情報処理に応用した、電気的に調整可能な量子エミッタデバイスに有用である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Inspired by the remarkable ability of plasmons to boost radiative emission rates, we propose leveraging acoustic graphene plasmons (AGPs) to realize tunable, giant Purcell enhancements for single-photon, entangled-photon, and multipolar quantum emitters. These AGPs are localized inside a cavity defined by a graphene sheet and a metallic nanocube and filled with a dielectric of thickness of a few nanometers and consisting of stacked layers of 2D materials, containing impurities or defects that act as quantum light emitters. Through finite-difference time domain (FDTD) calculations, we show that this geometry can achieve giant Purcell enhancement factors over a large portion of the infrared (IR) spectrum, up to 6 orders of magnitude in the mid-IR and up to 4 orders of magnitude at telecommunications wavelengths, reaching quantum efficiencies of 95\% and 89\%, respectively, with high-mobility graphene. We obtain Purcell enhancement factors for single-photon electric dipole (E1), electric quadrupole (E2), and electric octupole (E3) transitions and two-photon spontaneous emission (2PSE) transitions, of the orders of $10^{4}$, $10^{7}$, $10^{9}$, and $10^9$, respectively, and a quantum efficiency of 79\% for entangled-photon emission with high-mobility graphene at a wavelength of $λ=1.55$ $μ$m. Importantly, AGP mode frequencies depend on the graphene Fermi energy, which can be tuned via electrostatic gating to modulate fluorescence enhancement in real time. As an example, we consider the Purcell enhancement of spontaneous single- and two-photon emissions from an erbium atom inside single-layer (SL) WS$_2$. Our results could be useful for electrically tunable quantum emitter devices with applications in quantum communication and quantum information processing.
• Abstract（参考訳）: 放射放出率を向上するプラズモンの顕著な能力に着想を得て、単一光子、絡み合った光子、多極性量子エミッタに対する可変で巨大なパーセル強化を実現するために、アコースティックグラフェンプラズモン(AGP)を活用することを提案する。 これらのAGPはグラフェンシートと金属ナノキューブで定義された空洞内に局在し、数ナノメートルの厚さの誘電体で満たされ、2D材料の積層層で構成され、量子発光体として機能する不純物や欠陥を含んでいる。 有限差分時間領域(FDTD)の計算により、この幾何学は赤外線スペクトルの大部分で最大6桁、電気通信波長で最大4桁、高モビリティグラフェンでそれぞれ95倍、99%の量子効率を達成できることを示す。 単一光子電気双極子(E1)、電気四極子(E2)、電気四極子(E3)の遷移および2光子自発放出(2PSE)の遷移に対するパーセル増強係数をそれぞれ10^{4}$,10^{7}$,10^{9}$,10^9$,10^9$の順で取得し、λ=1.55$μ$mの波長で高モビリティグラフェンをともなうエンタングル光子放出に対して79\%の量子効率を得る。 重要なことに、AGPモードの周波数はグラフェンフェルミエネルギーに依存しており、これは静電ゲーティングによってリアルタイムで蛍光の増強を変調することができる。 一例として、単層(SL) WS$_2$内のエルビウム原子からの自然単光子放出と2光子放出のパーセル増強について考察する。 我々の結果は、量子通信や量子情報処理に応用した、電気的に調整可能な量子エミッタデバイスに有用である。

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