[論文レビュー] Chiral-reversing vortex radiation from a single emitter by eigenstates phase locking

Xingyuan Wang, Hua‐Zhou Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 67被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、パリティ-タイム対称なリングレゾネータにおける特異点で、固有状態の位相ロックを活用することで、単一発光子からキラル反転型の渦状放射を実現した。量子ドット発光子を、最大1000のPurcell増幅を示すプラズモンナノキャビティに結合させることで、制御可能な位相的荷重を持つ渦状ビームを生成し、発光放射のキラリティをシステムの固有状態とは逆転させた。これにより、ナノスケールのキラル量子オプティクスおよび渦状レーザーの新しいパラダイムが実現された。

ABSTRACT

The radiation of an emitter does not depend only on its intrinsic properties but also on the surrounding photonic environment, the notion of which is essential in the developments of lasers, quantum optics and other light-matter interaction related fields. However, in conventional wisdom, an emitter radiates into photonic eigenstates in the weak coupling regime and does not alter the property of the latter. Here, we report a counterintuitive phenomenon where the radiation field of a dipole in a parity-time symmetric ring resonator displays the opposite handedness to the eigenstates of the system. This chiral-reversing radiation takes place at an exception point of the underlying non-Hermitian system, where the singularity at the exceptional point forces a phase locking of the coalesced eigenstates when interacting with the dipole emitter. Such an intriguing phenomenon has been employed to construct vortex radiation with controllable topological charge from a single quantum dot embedded plasminic nanocavity with Purcell enhancement factor up to 1000. Our scheme enriches the interesting physics of an exception point in the quantum region and may open a new paradigm for chiral quantum optics and vortex lasers at nanoscale.

研究の動機と目的

• 従来の弱い結合領域を超えて、光環境が単一生体からの放射のキラリティに与える影響を解明すること。
• 非ヒルベルト系における特異点が、放射の手の向き（ヘリシティ）をどのように変化させるかを調査すること。
• 単一生体量子ドット発光子から、制御可能な位相的荷重を持つ可変な渦状ビームを生成するメカニズムを実証すること。
• 固有状態の位相ロックを用いた、キラル量子オプティクスおよびナノスケールの渦状レーザーのための新規プラットフォームを確立すること。

提案手法

• パリティ-タイム対称なリングレゾネータを用いて、特異点を有する非ヒルベルト光子的構造を構築する。
• 電気双極子発光子をレゾネータに結合させ、特異点における重合した固有状態の位相ロックを誘発する。
• 発光子と光子固有モードの結合系を解くことで、放射場を計算し、キラル反転を明らかにする。
• 特異点からの発光子の位置と結合強度を調整することで、系の位相的荷重を制御する。
• プラズモンナノキャビティで最大1000のPurcell増幅を達成し、放射効率を顕著に向上させる。
• 数値シミュレーションと解析的モデルが、固有状態の重合と位相ロックを通じたキラル反転効果を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一生体からの放射のキラリティを、その光子的環境の固有状態と反転させることは可能か？
• RQ2 特異点における重合した固有状態の位相ロックが、発生する渦状放射の手の向きにどのように影響を与えるか？
• RQ3 単一生体系において、発生する渦状ビームの位相的荷重をどの程度まで制御可能か？
• RQ4 Purcell増幅は、ナノスケールで効率的なキラル渦状放射を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ5 特異点を有する非ヒルベルト光子的系を用いて、量子オプティクスのための新規な光-物質相互作用を設計可能か？

主な発見

• 発光放射は、光子系の固有状態とは逆のキラリティを示す。これは特異点物理学に起因する直感に反する結果である。
• 特異点における重合した固有状態の位相ロックが、放射場におけるキラル反転を誘発する上で不可欠である。
• 系は制御可能な位相的荷重を持つ渦状ビームを生成し、光の軌道的角運動量を動的に調整可能である。
• プラズモンナノキャビティで最大1000のPurcell増幅要因を達成し、放射強度を顕著に向上させた。
• 現象は頑健であり、設計された光子的環境に埋め込まれた単一量子ドットにおいても観測可能である。
• 結果は、ナノスケール光源におけるキラル制御の新規メカニズムを示し、キラル量子オプティクスおよび統合型渦状レーザーの分野に新たな道を開いた。