[論文レビュー] Light-matter interactions with photonic quasiparticles

Nicholas Rivera, Ido Kaminer|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 170被引用数 11

ひとこと要約

このレビューでは、プラズモン、フォノンポラリトン、励起子ポラリトンなどの光・物質のハイブリッドな励起状態である光子準粒子が、ナノスケールにおける光子分散、偏光、局在化を変化させることで、強力で調整可能な光・物質相互作用を実現する仕組みを検討する。主な貢献は、これらの準粒子を統合的に取り扱うフレームワークを提示し、常温での強い結合、超高速な禁制遷移、および新しいチェレンコフ型X線光源の実現を可能にすることにある。

ABSTRACT

Interactions between light and matter play an instrumental role in many fields of science, giving rise to important applications in spectroscopy, sensing, quantum information processing, and lasers. In most of these applications, light is considered in terms of electromagnetic plane waves that propagate at the speed of light in vacuum. As a result, light-matter interactions can usually be treated as very weak, and captured at the lowest order in quantum electrodynamics (QED). However, recent progress in coupling photons to material quasiparticles (e.g., plasmons, phonons, and excitons) forces us to generalize the way we picture the photon at the core of every light-matter interaction. In this new picture, the photon, now of partly matter-character, can have greatly different polarization and dispersion, and be confined to the scale of a few nanometers. Such photonic quasiparticles enable a wealth of light-matter interaction phenomena that could not have been observed before, both in interactions with bound electrons and with free electrons. This Review focuses on exciting theoretical and experimental developments in realizing new light-matter interactions with photonic quasiparticles. As just a few examples, we discuss how photonic quasiparticles enable room-temperature strong coupling, ultrafast "forbidden transitions" in atoms, and new applications of the Cherenkov effect, as well as breakthroughs in ultrafast electron microscopy and new concepts for compact X-ray sources.

研究の動機と目的

• 自由空間の光子にとどまらず、物質的性質を有する光子準粒子を含めた枠組みに光・物質相互作用を再定式化すること。
• 従来の量子電磁力学における弱い光・物質結合の限界を、物質的性質を持つ光子と準粒子のハイブリッド状態を活用することで克服すること。
• プラズモニクス、フォノニクス、エキシトンイクス分野における光子準粒子分野の理論的・実験的進展を統合すること。
• これらの準粒子が、超高速な禁制遷移や強化されたチェレンコフ放射といった新しい現象を実現する仕組みを示すこと。
• 制御された光・物質結合に基づく、量子情報処理、超高速電子顕微鏡、コンact X線光源への新規応用を提案すること。

提案手法

• 集団的準粒子（プラズモン、フォノン、励起子）への光子結合の理論的モデル化により、分散および偏光が変更されたハイブリッド光子準粒子を形成する。
• ナノ構造材料における強い結合を介して物質的性質を有する光子を組み込むことで、拡張された量子電磁力学（QED）形式を用いる。
• 準粒子系における非放射性および放射性崩壊チャネルを組み込んだ光・物質相互作用ハミルトニアンの分析。
• 有効媒質理論および分散工学を用いて、2次元および3次元ナノ構造における光子準粒子特性を設計・制御する。
• チェレンコフ放射の数値的および解析的取り扱いを光子準粒子媒体に適用し、放射強度の増幅および指向性制御を予測する。
• 2次元材料、ハイパーボリックメタマテリアル、誘電体ナノ構造における実験的実現をレビューし、理論予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質的性質を有する光子準粒子は、自由空間の光子と比較して、光・物質相互作用の強度と性質をどのように変化させるか？
• RQ2 光子準粒子を用いることで、常温での強い結合を達成可能か？また、その実現を可能にする材料は何か？
• RQ3 光子準粒子は、通常は禁制とされる原子遷移をどのように超高速に可能にするか？
• RQ4 光子準粒子は、新しいX線生成方式のためのチェレンコフ効果をどのように強化または再構成できるか？
• RQ5 光子準粒子は、超高速電子顕微鏡およびコンact X線光源にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 光子準粒子は、ハイブリッドモードによる真空中のラビ分裂の増幅によって、常温での強い光・物質結合を実現する。
• 光子準粒子環境における大きな電気双極子行列要素および修正された状態密度により、原子内の超高速な「禁制」遷移が促進される。
• 位相速度および群速度の一致を設計することで、光子準粒子媒体におけるチェレンコフ放射が強化され、指向性制御が可能になる。
• 光子準粒子は、光の波長より小さいスケール（数ナノメートルまで）での局在化を可能にし、ナノスケールの光・物質相互作用プラットフォームを実現する。
• 構造化された材料における光子準粒子への電子ビーム励起に基づき、コンactでテーブルトップ型X線光源の新規概念が提案される。
• 2次元遷移金属ジカルコイドおよびハイパーボリックメタマテリアルにおける実験的実現が、強い結合および増幅放射の実現可能性を確認している。