[論文レビュー] Lasing in Strong Coupling

Fabrice P. Laussy, Elena del Valle+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2011

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、光・物質の強い結合状態におけるレーザー発振が、すべての励起パワーにおいてポisson的光子統計を示す閾値なしの動作を達成できることを示しているが、普遍的な量子非線形性が誘導する2次相互相関関数（$g^{(2)}$）の不連続なジャンプにより、理想の閾値なしの動作は実現されない。最大の $g^{(2)}$ 値は約1.10282であり、明確に定義された励起レートで現れ、強結合系におけるレーザーの発生を特定する根本的な基準を提供する。

ABSTRACT

An almost ideal thresholdless laser can be realized in the strong-coupling regime of light-matter interaction, with Poissonian fluctuations of the field at all pumping powers and all intensities of the field. This ideal scenario is thwarted by quantum nonlinearities when crossing from the linear to the stimulated emission regime, resulting in a universal jump in the second order coherence, which measurement could however be used to establish a standard of lasing in strong coupling.

研究の動機と目的

• 単一発光体系における強結合ダイナミクスから従来のレーザー発振への遷移を調査すること。
• 強結合状態においても量子非線形性が存在するにもかかわらず、理想の閾値なしレーザー発振が達成可能かどうかを特定すること。
• 強結合状態におけるレーザー発生の開始を定義する普遍的で実験的に測定可能なシグネチャー（具体的には $g^{(2)}$ のピーク）を確立すること。
• 測定可能な相互相関統計を用いて、強結合系におけるレーザー発振を定量的に特徴付ける基準を提供すること。

提案手法

• 研究では、崩壊および励起を表す Lindblad 項を含むマスター方程式を用いて、完全に量子化された Jaynes–Cummings ハミルトニアンと散乱環境を結合する。
• 光子統計は $n$ 次相互相関関数 $g^{(n)}(0) = N_a[n]/n_a^n$ を通して分析され、主に $g^{(2)}(0)$ を主要な観測量とする。
• 定常状態における光子数分布 $p(n) = \langle n|\rho|n \rangle$ をポisson的統計と比較し、そのずれを定量化する。
• Purcell率 $\kappa_\sigma = 4g^2/\gamma_a$ が有効結合強度を支配する強結合極限において系を分析する。
• マスター方程式の数値的解法により、さまざまな励起レート $P_\sigma$ および減衰レート $\gamma_\sigma$ における $N_a[n]$ と $g^{(2)}$ を計算し、普遍的なスケーリングを明らかにする。
• 遷移領域は、$P_\sigma/\gamma_a$ および $\gamma_\sigma/\gamma_a$ の次元なしスケーリングに対して不変な $g^{(2)}$ の普遍的形状と、$g$ に依存しない $\approx 1.10282$ の普遍的最大値を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強結合状態におけるレーザー発振は、すべての励起パワーにおいて真に閾値なしの動作を示し、ポisson的統計を満たすことができるか？
• RQ2 好都合な強結合条件が整っているにもかかわらず、理想の閾値なしレーザー発振がなぜ崩壊するのか？
• RQ3 強結合ダイナミクスから誘導放出レーザーへの遷移を特定する普遍的で測定可能なシグネチャーが存在するか？
• RQ4 $g^{(2)}$ の最大値を、強結合におけるレーザー発生を特定する根本的基準として用いることができるか？
• RQ5 強結合状態における量子非線形性は、レーザー発振への遷移過程における光子統計にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 2次相互相関関数 $g^{(2)}$ の最大値は、最適な強結合状態において、システムのパラメータに依存しない普遍的なピーク値約1.10282に達する。
• このピークは、$\gamma_\sigma = \gamma_a$ のとき $P_\sigma \approx 2.115\gamma_a$ の明確に定義された励起レートで現れ、普遍的な遷移点を示す。
• 強結合からレーザーへの遷移は、$P_\sigma/\gamma_a$ および $\gamma_\sigma/\gamma_a$ の次元なしスケーリングに対して不変な $g^{(2)}$ の普遍的形状によって特徴づけられ、$g$ に依存しない。
• ポisson的統計からのずれ（$\delta_n = p(n) - e^{-\bar{n}}\bar{n}^n/n!$）は、1光子レーザー領域では線形に増大し、遷移領域では複数の光子数状態に広がる。
• 普遍的な $g^{(2)}$ ピークは、強結合が十分に良好である場合にのみ観測される。そうでない場合、最大値は低下し、形状もずれるため、遷移の完全な実現が図られていないことが示唆される。
• この $g^{(2)}$ ピークは、従来の閾値が存在しない状況においても、強結合におけるレーザー発生を特定する強固で明確な実験的基準を提供する。