[論文レビュー] Coalescence and anti-coalescence of surface plasmons on a lossy beamsplitter

Benjamin Vest, Marie-Christine Dheur+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 41

ひとこと要約

本論文は、損失を有するプラズモンビームスプリッター上で自由に伝搬する2つの表面プラズモン極性波（SPP）の間で量子干渉を実証し、制御された損失によって、共鳴（HOMディップ）と反共鳴（HOMピーク）の両方を観測した。ビームスプリッターの反射および透過係数を設計することで、著者らは損失が新たな量子干渉状況を可能にできることを示し、量子光学現象を損失を有するプラズモン系へと拡張し、量子情報技術への応用可能性を示した。

ABSTRACT

Surface plasma waves are collective oscillations of electrons that propagate along a metal-dielectric interface. In the last ten years, several groups have reproduced fundamental quantum optics experiments with surface plasmons. Observation of single-plasmon states, waveparticle duality, preservation of entanglement of photons in plasmon-assisted transmission, and more recently, two-plasmon interference have been reported. While losses are detrimental for the observation of squeezed states, they can be seen as a new degree of freedom in the design of plasmonic devices, thus revealing new quantum interference scenarios. Here we report the observation of two-plasmon quantum interference between two freely-propagating, non-guided SPPs interfering on lossy plasmonic beamsplitters. As discussed in the article "Quantum optics of lossy beam splitters" by Barnett et al. (Phys. Rev. A 57, 2134 (1998)) , the presence of losses (scattering or absorption) relaxes constraints on the reflection and transmission factors of the beamsplitter, allowing the control of their relative phase. By using this degree of freedom, we are able to observe either coalescence or anticoalescence of identical plasmons.

研究の動機と目的

• 損失を有するプラズモンビームスプリッター上での2つの同一の表面プラズモン極性波（SPP）間の量子干渉効果を調査すること。
• ビームスプリッター内の損失が、量子干渉位相を制御可能な調整自由度として活用できるかを検討すること。
• プラズモン版のホン＝オウ＝マーテル実験における共鳴（HOMディップ）と反共鳴（HOMピーク）の両方を実験的に示すこと。
• ビームスプリッター自体が損失を有する場合でも、2粒子干渉などの量子効果が維持されることを検証すること。これは、従来の実験とは異なり、ビームスプリッターが非損失であったことと対照的である。

提案手法

• タイプIIの自己周波数変換による非線形効果（SPDC）光源が、806 nmで周波数が同一で直交偏光を有する光子対を生成する。
• 光子は偏光ビームスプリッターで分離され、単モードファイバーに結合され、その後、シリカ基板上に形成された300 nmの金膜にグレーティングカップラーを介してSPPに励起される。
• モーター駆動の移動ステージを用いて、2つのSPP経路間の可変遅延δHOMを導入し、干渉可視度を走査する。
• 焦点を当てたイオンビームリーマーを用いて、反射および透過係数を調整可能なプラズモンビームスプリッターを製造し、幾何的パラメータ（溝幅w、ギャップg、高さh）が光学的応答を制御することを確認した。
• SPPはビームスプリッターで再結合され、大きなスリットを介して再び光子に変換され、単一光子カウンティングモジュール（SPCM）で検出される。
• 10 nsの時間分解能を有するPXIe-1073 FPGAベースのシステムを用いて、SPCM間の一致計数を記録し、干渉縞を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの自由に伝搬する非ガイド型表面プラズモン極性波が、損失を有するビームスプリッター上で量子干渉を示すことができるか？
• RQ2 ビームスプリッター内の損失が、反射および透過振幅間の相対位相に与える影響は何か？また、この影響を干渉の結果を制御する手段として利用できるか？
• RQ3 損失を有する部品を有するプラズモン系で、共鳴（HOMディップ）と反共鳴（HOMピーク）の両方が実験的に観測可能か？
• RQ4 ビームスプリッター内の損失が、反射および透過係数に課される制約をどの程度緩和できるか？これにより、新たな量子干渉状況が実現可能になるか？

主な発見

• ビームスプリッターの反射および透過係数がバランスしている場合、一致計数にホン＝オウ＝マーテル（HOM）ディップが観測され、プラズモンの共鳴が確認された。
• 特定のビームスプリッター設計において、一致計数にHOMピークが観測され、損失を有する経路の振幅間の破壊的干渉による反共鳴が示された。
• 幾何的パラメータ（w, g, h）の調整により、ビームスプリッターの特性を変化させ、反射および透過振幅間の相対位相を制御することで、共鳴と反共鳴の間の遷移を達成した。
• 実験結果は、ビームスプリッターが損失を有する場合でも、量子干渉効果（特に2粒子干渉）が観測可能であることを確認した。これは、従来の仮定とは対照的であり、損失が常に量子効果を劣化させるわけではないことを示唆している。
• 本研究では、プラズモン素子内の損失が、反共鳴のような新たな量子干渉現象を設計的に創出可能であるという設計パラメータとして活用できることを示した。
• 10 nsの測定時間分解能により、干渉縞が明確に観測可能であり、一致計数を用いて可視度を抽出し、HOMディップとピークの特徴を区別できた。