Purcelleffekten

Der Purcelleffekt beschreibt die Veränderung der spontanen Emission eines Quantensystems durch seine elektromagnetische Umgebung, typischerweise in einem resonanten Cavities oder einer nanophotonischen Struktur. Der Effekt wurde von Edward Mills Purcell im Jahr 1946 vorhergesagt, als er zeigte, dass die Emissionsrate eines Emitters in einem Cavität gegenüber dem freien Raum durch die lokale Dichte elektromagnetischer Zustände beeinflusst wird.

Der Mechanismus beruht darauf, dass die spontane Emission proportional zur lokalen Zustandsdichte der elektromagnetischen Felder ist. Durch eine Erhöhung der lokalen Zustandsdichte am Emissionsfrequenz kann die Abstrahlung in den Cavitätenmodus verstärkt werden, während Detuning oder schlechte Kopplung die Emission reduzieren. In der gebräuchlichen Näherung für einen einzelnen Modus lautet der Purcell-Faktor F_P ≈ (3/(4π^2)) (λ/n)^3 (Q/V), wobei λ die Wellenlänge im Vakuum, n der Brechungsindex, Q die Güte des Cavities und V das Modusvolumen ist.

Im Schwachkopplungsregime erhöht der Purcell-Effekt die Emissionsrate in den Cavitätsmodus, wodurch mehr Strahlung in dieses Modus gelenkt wird. In der Starkkopplung hingegen überwiegt der Austausch von Energie zwischen Emittersystem und Cavität, was zu Vacuum-Rabi-Splitting und Rabi-Oszillationen führt, statt nur einer Änderung der Gesamtrate.

Pur Celleffekte wurden mit Quantenpunkten, Farbzentren in Diamant und in Photonic-Crystal-Resonatoren, Mikrodisks und anderen Nanostrukturen experimentell beobachtet. Anwendungen umfassen effiziente Einzelphotonenquellen, leistungsschwache Nanolaser und Verbesserungen in der Quanteninformation, wo kontrollierte Abstrahlung und Kopplung an gefilterte Moden erwünscht sind.