[論文レビュー] Efficient quadrature-squeezing from biexcitonic parametric gain in atomically thin semiconductors

Emil V. Denning, Knorr, Andreas+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

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ひとこと要約

本論文では、光キャビティに結合された原子層膜半導体におけるバイエクシトン的パラメトリック増幅を用いて、超高効率なオンチップ四元数スクリューディング光源を提案する。二光子励起によって束縛バイエクシトンを共鳴励起することで、最新の三階非線形デバイスと比較して入力パワーが1桁低い範囲で広帯域スクリューディングを達成し、スクリューディング帯域幅は数meVに達する。

ABSTRACT

Modification of electromagnetic quantum fluctuations in the form of quadrature-squeezing is a central quantum resource, which can be generated from nonlinear optical processes. Such a process is facilitated by coherent two-photon excitation of the strongly bound biexciton in atomically thin semiconductors. We show theoretically that interfacing an atomically thin semiconductor with an optical cavity allows to harness this two-photon resonance and use the biexcitonic parametric gain to generate squeezed light with input power an order of magnitude below current state-of-the-art devices with conventional third-order nonlinear materials that rely on far off-resonant nonlinearities. Furthermore, the squeezing bandwidth is found to be in the range of several meV. These results identify atomically thin semiconductors as a promising candidate for on-chip squeezed-light sources.

研究の動機と目的

• 量子技術向けに低消費電力でオンチップ化可能な四元数スクリューディング光源の開発。
• 原子層膜半導体に強いクーロン相互作用が及ぼす非線形光学的応答の強化。
• 2次元材料におけるバイエクシトン的パラメトリック増幅が、共鳴二光子励起条件下で効率的なスクリューディングを可能にすることの実証。
• 平均場近似を超えた多体相関系におけるスクリューディングのスペクトル分解能の達成。
• 原子層膜半導体が統合量子光源のための有望なプラットフォームであるという同定。

提案手法

• 平面的マイクロキャビティを単層遷移金属ジカルコイド（例：MoS2）と結合させ、強い光・物質結合を実現。
• q=0における線形偏光のコherentレーザー駆動をモデル化するため、入出力形式を適用。
• 平均場理論を超えた密度行列の階層を解くために、ダイナミクス制御型切断スキームを採用。
• キャビティ光子、電子バンド、クーロン相互作用を含むハミルトニアンを用いてシステムをモデル化。
• 四元数演算子 X(θ,t) の時間順序・正規順序相関関数を用いて、スクリューディングスペクトル Λ(ω) を計算。
• KおよびK′バルトレインゾーンを有する2次元六角形ブリユアンゾーンモデルを用い、スピン・バルレー極化励起に必要な円偏光選択則を導入。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子層膜半導体におけるバイエクシトン的パラメトリック増幅は、従来の三階非線形材料と比較して顕著に低い入力パワーで四元数スクリューディング光を生成できるか？
• RQ2 このようなシステムにおける実現可能なスクリューディング帯域幅はどの程度か？ また、既存のオンチップ光源と比較してどうなるか？
• RQ3 多体クーロン相関は、ポラリトンマイクロキャビティにおけるスクリューディング生成にどのように影響を与えるか？
• RQ4 束縛バイエクシトンの共鳴二光子励起が、キャビティ統合型プラットフォームで効率的なパラメトリック増幅を引き起こせるか？
• RQ5 バルレーおよびスピン選択則は、効率的かつ偏光制御可能なスクリューディングを実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• 本システムは1–10 mWの入力パワーで四元数スクリューディングを達成し、最新の三階非線形性に基づくデバイスと比較して1桁低い入力パワーで実現可能である。
• スクリューディング帯域幅は数meVに達し、量子応用に適した広帯域動作を示している。
• 時間順序・正規順序相関関数を用いることで、スクリューディングスペクトル Λ(ω) がスペクトル分解能を伴って計算可能である。
• ダイナミクス制御型切断スキームにより、ハートリー＝フォックを超えた多体相関の正確な取り扱いが可能である。
• 束縛バイエクシトンのコherent二光子励起は、パラメトリック増幅の共鳴増幅を引き起こす。
• 共偏光およびクロス偏光検出設定の両方が分析され、ホモダイン位相によるスクリューディングのチューニングが可能であることが示された。