[論文レビュー] Atomic metasurfaces for manipulation of single photons

Ming Zhou, Jingfeng Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 47被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、二準位系（TLS）に基づくアトミックメタサーフェスを提案し、量子散乱理論を活用して、動的に調整可能な単一光子の誘導および指向性ビーム形成を実現する。この手法は、三準位Λ型原子のシートを用いて、光子の放出および伝播を損失なしで波長未満のスケールで制御可能であり、従来の光学共鳴器では達成できない機能を実現する。

ABSTRACT

Metasurfaces are an emerging platform for manipulating light on a two-dimensional plane. Existing metasurfaces comprise arrays of optical resonators such as plasmonic antennas or high-index nanorods. In this letter, we describe a new approach to realize metasurfaces based on electronic transitions in two-level systems (TLSs). These metasurfaces can reproduce all of the major results in conventional metasurfaces. In addition, since TLSs can be lossless, tunable, and orders of magnitude smaller than optical resonators, atomic metasurfaces can realize functions that are difficult to achieve with optical resonators. Specifically, we develop quantum scattering theory to describe the interaction between single photons and atomic metasurfaces. Based on the theory, we use a sheet of three-level Λ-type atoms as an example and theoretically demonstrate dynamically tunable single-photon steering. We further show directional beaming of spontaneously emitted photons from atomic metasurfaces.

研究の動機と目的

• 二準位系（TLS）における電子遷移に基づく、単一光子操作を目的とした新しいクラスのメタサーフェスの開発。
• プラズモニックアンテナや高屈折率ナノロッドに依存する従来のメタサーフェスの限界、たとえば高損失と限られた調整可能性を克服すること。
• アトミックメタサーフェスが従来のメタサーフェスの主な機能をすべて実現するとともに、動的調整可能性や波長未満の制御といった新たな機能を可能にすることの実証。
• 量子散乱フレームワークを用いて、単一光子とアトミックメタサーフェスの間の量子ダイナミクスを理論的に探求すること。

提案手法

• 本研究は、メタサーフェス構成における二準位系（TLS）の2次元アレイと単一光子の相互作用をモデル化するために、量子散乱理論を採用する。
• 外部制御場を用いて光子の経路を動的に調整可能にするために、三準位Λ型原子のシートをモデル系として用いる。
• 単一光子がアトミックメタサーフェスに入射または発生する際の散乱行列および放射パターンを計算するための理論的分析を実施する。
• 制御パラメータを変化させた状態での系の応答を分析し、可変なビーム誘導および指向性放射を実証する。
• 光物質相互作用を量子レベルでモデル化するため、電気双極子近似および回転波近似に基づく理論的導出を実施する。
• このフレームワークにより、遠方放射パターンの計算および自発的放射における指向性度の評価が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TLSに基づくアトミックメタサーフェスは、従来のメタサーフェスの機能を単一光子操作において再現できるか？
• RQ2 原子準位の動的調整は、アトミックメタサーフェス内での単一光子誘導にどのように影響するか？
• RQ3 従来の発光体と比較して、アトミックメタサーフェスは自発的放射光の指向性をどの程度向上できるか？
• RQ4 量子干渉が、アトミックメタサーフェスにおける指向性ビーム形成および可変散乱を可能にする役割は何か？
• RQ5 プラズモニックまたは誘電共鳴器と比較して、アトミックメタサーフェスは最小限の損失で波長未満の制御を達成できるか？

主な発見

• 理論的フレームワークにより、アトミックメタサーフェスが従来のメタサーフェスの主な機能、たとえば波面整形およびビーム誘導をすべて実現できることを示した。
• 外部制御場が原子準位を変化させることで、Λ型原子系を用いた理論的実証により、単一光子の誘導を動的に制御可能であることを示した。
• 原子系における量子干渉効果により、特定の角度に向けた指向性ビーム形成が実現され、自発的放射の強度が向上した。
• アトミックメタサーフェスの設計により、波長未満の空間的制御が可能であり、従来の光学共鳴器と比較して、特徴サイズが桁違いに小さい。
• TLSに基づくメタサーフェスでは、電子遷移のコherent性に起因し、損失のない動作が理論的に可能である。これは、損失の大きいプラズモニック構造とは対照的である。
• 発光パターンに顕著な角度依存性が見られ、建設的干渉により自発的放射の高指向性が実現可能である。