[論文レビュー] Double-slit time diffraction at optical frequencies

Romain Tirole, Stefano Vezzoli+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2022

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、光周波数において時間領域におけるヤングの二重スリット実験のアナログを実証した。超短い赤外パルスがITO膜に一時的な時間スリットを誘発し、周波数領域での干渉を引き起こす。スペクトルにおける観測された振動は、パルス幅よりもはるかに速い10 fs未塔の反射率遷移の上昇時間（10 fs未塔）を示しており、4.4 fsの光周期に近い超高速ダイナミクスを示している。

ABSTRACT

The wave nature of light is revealed by diffraction from physical structures. We report a time-domain version of the classic Young's double-slit experiment: a beam of light twice gated in time produces an interference in the frequency spectrum. The 'time slits', narrow enough to produce diffraction at optical frequencies, are generated from a thin film of Indium-Tin-Oxide illuminated with high-power infrared pulses, inducing a fast reflectivity rise, followed by a slower decay. Separation between the time slits determines the period of oscillations in the frequency spectrum, while the decay of fringe visibility in frequency reveals the shape of the time slits. Here we find a surprise: many more oscillations are visible than expected from existing theory, implying a rise time for the leading edge of around 1-10 fs, approaching an optical cycle of 4.4 fs. This is over an order of magnitude faster than the width of the pump and can be inferred from the decay of the frequency oscillations.

研究の動機と目的

• 光周波数の光を用いて、古典的二重スリット実験の時間領域アナログを実現すること。
• 超高速な反射率変調を用いて、ITO薄膜内で『時間スリット』を生成および特徴付けること。
• 2つの時間的に分離された光学的ゲートから生じるスペクトル干渉パターンを測定すること。
• 周波数スペクトルにおける visibility の減衰から、時間スリットの時間的プロファイルを抽出すること。
• 反射率上昇時間における超高速ダイナミクスを調べ、光周期に近いスケールを探索すること。

提案手法

• 100 fs の超短い赤外パルスを用いて、亜鉛酸亜鉛酸イットリアス（ITO）薄膜を励起し、反射率の急激な上昇を誘発する。
• 励起によって反射率上昇時間が制御され、時間領域に2つの明確な時間窓（「時間スリット」）が形成される。
• 透過または反射光のスペクトル応答を測定し、周波数領域での干渉縞を観測する。
• 2つの時間スリット間の時間的隔たりが、周波数スペクトルにおける振動の周期性を決定する。
• 周波数領域における縞の可視度の減衰を分析し、時間スリットの時間的形状を推定する。
• 理論的モデルと比較することで、予想よりも速い上昇時間であることが判明し、10 fs未塔のダイナミクスであると示唆された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一時的材料を用いて、光周波数における時間領域二重スリット実験を実現できるか？
• RQ2 超高速励起下におけるITOに形成される時間スリットの時間的幅は何か？
• RQ3 スペクトル干渉パターンは、時間スリットの時間的隔たりと形状とどのように関係するか？
• RQ4 周波数領域における干渉縞の可視度が制限される要因は何か？
• RQ5 縞の可視度の減衰は、反射率遷移の上昇時間に関して何を明らかにするか？

主な発見

• 2つの時間的に分離された光学的ゲートにより、周波数スペクトルに明確な干渉縞が観測された。
• スペクトルにおける振動の周期は、2つの時間スリット間の時間隔たりに直接対応している。
• 縞の可視度の周波数依存性の減衰から、時間スリットの時間的エンベロープが明らかになった。
• 減衰率から、反射率遷移の上昇時間が1〜10 fsであると推定され、100 fsのポンプパルスよりもはるかに速い。
• この超高速上昇時間は、4.4 fsの光周期と整合しており、光の基本時間スケールに近いダイナミクスを示している。
• 観測された振動数は理論的予測を上回っており、反射率の上昇が想定よりも速いことを示唆している。