Quantum Coherence in Semiconductor Superlattices with External dc Bias

Abstract

近年の半導体レーザーや微小共振器加工技術の進展に伴い、光の量子論的理解が急速に進んでいる。とりわけ、スクイーズド光に代表される光の非古典状態は、最小不確定状態にありながら、一方の正準共役量の揺らぎが従来のコヒーレント光よりも小さく、量子光通信や高精度測定などへの応用が期待されている。そのような非古典光を生成する場合、これまでは主に非線型光学媒質を用いて実験が行われ、その内部での電子系と光子場の相互作用がブラックボックスとして取り扱われてきた。一方、MBEに代表される近年の半導体微細加工技術の発展により、結晶中の電子状態を人工的に制御できるようになった。異なる種類の半導体超薄膜の周期積層構造である半導体超格子に対して電場を加えた場合、ブロッホ振動と呼ばれる電子の往復運動が生じ、THzオーダーの光源として光物性の分野では盛んに研究されている。本研究ではそのブロッホ振動によって種々の光、とりわけ非古典光の生成が可能であることを示唆し、それらの光子場量子状態は外部電場という1つのパラメータ一によって制御されうることを明らかにした。また、半導体超格子中における電子のダイナミクスがいかにして光子場に影響を及ぼし、そして非古典光が生成されるかについても詳細に述べる。

We show that the Bloch oscillation in semiconductor superlattices under the external dc bias is able to generate nonclassical photon states. On the single-subband condition, the time development operator of the photon field in such systems is obtained and is shown to be equivalent approximately to the displacement operator, the quadrature-phase amplitude squeezing operator, or the optical Kerr operator, depending on the external dc bias. Such equivalence is discussed in terms of Wannier-Stark ladder formation. The effects of intersubband transition of electrons are also investigated.