[論文レビュー] Nonclassical light generation and control from laser-driven semiconductor intraband excitations

Ivan Gonoskov, René Sondenheimer+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、強力なレーザー場によって駆動される半導体における高調波生成（HHG）のための量子光学的枠組みを提案し、バンド内電子ダイナミクスが基本波および高調波モード間の非線形結合を引き起こすことを示している。主な結果として、すべての光モードにわたる内在的な多粒子もつれ状態が生成されることを示しており、広帯域スペクトルカバレッジを有するスケーラブルな光子資源状態を量子情報処理に利用可能にする。

ABSTRACT

We investigate the generation of higher-order harmonics from a quantum optics perspective via the interaction of a semiconductor with a coherent pump field focusing on the regime where strong-field intraband excitations dominate. The related Schrödinger equation for the system is solved approximately and the classical and quantum characteristics of the fundamental light mode as well as the higher frequency modes are analyzed. We find intricate but sufficiently mild modifications of the fundamental mode and coherent displacements depending on the position quadrature component of the driving laser field for the harmonic modes within our approximations due to the intricate induced nonlinear interactions. Similar to high-harmonic generation in atoms, all radiation field modes are entangled, allowing for potential novel protocols for quantum information processing with high photon numbers over a large range of frequencies.

研究の動機と目的

• 強力なレーザー場によって駆動される半導体における高調波生成（HHG）の量子力学的記述を構築すること。特にバンド内遷移に注目する。
• 放射場の古典的および量子的性質を分析すること、特に生成されたモードの非ガウス的かつもつれ特性に注目する。
• 半導体における非線形バンド分散が、古典的予想をはるかに超える構造的で非自明な放射場の修正を引き起こす仕組みを解明すること。
• レーザー駆動バンド内HHGが、量子情報処理のための複雑なもつれ光子状態を生成する可能性を調査すること。
• 半導体-マクスウェル＝ブロイ監方程式から得られる古典的解と照合することで、解析的モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 半導体と多モード量子化光の結合系に対するシュレーディンガー方程式を、一次近似で解き、非線形バンド分散効果を組み込む。
• ハミルトニアンは、バンド分散を介して場演算子が非線形に寄与する形に構築され、原子的HHGにおける線形電気双極子結合とは異なる。
• コherent状態の位相空間における変位を、ポンプ場の位置正準座標にパrameter化して解析的に導出する。
• 演算子 $\hat{\bm{1}} - \ket{G_0}\bra{G_0}$ を用いた条件付き状態射影により、HHGによって生成された状態を抽出し、真空成分を除去する。
• 得られた状態を位置表示で表現することで、すべての光モードにわたる非分離性およびもつれを示す。
• 古典的状態における半導体-マクスウェル＝ブロイ監方程式の数値解と比較することで、解の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形バンド内電子ダイナミクスが、半導体における高調波生成の際に、放射光の量子状態にどのように影響を与えるか。
• RQ2 強い場におけるバンド内励起下で、基本波および高調波モードの量子的性質は、どの程度もつれ合うか。
• RQ3 ポンプ場の位置正準座標が、高調波モードの変位振幅をどのように規定するか。
• RQ4 非線形バンド分散が、半導体内でどのように非ガウス的修正を引き起こすか。
• RQ5 半導体におけるHHGプロセスが、量子情報応用に有用なマルチパーティクルもつれ光子状態を生成できるか。

主な発見

• 非線形相互作用により放射場に非ガウス的修正が生じるが、ポンプ場の位置正準座標の関数の期待値は変化しない。
• 高調波モードはポンプ場の位置正準座標に依存する非線形な方法でコherentに変位され、特にバンド内ポテンシャルの最小点において $|\alpha_j|^2 \sim N_0$ となる。
• HHGプロセスは、条件付き状態 $\braket{\vec{Q}}{G_{\mathrm{HHG}}}$ の非分離構造によって示されるように、すべての光モード間で自然にマルチパーティクルもつれを生成する。
• 原子的HHGと同様のもつれ状態構造を示すが、非線形バンド分散のため、ポンプ場の正準座標に強く依存する。
• 赤外から紫外にわたる広帯域スペクトル範囲で高密度の光子数が生成され、量子情報処理への応用に適している。
• 解析的解は古典的SMBEシミュレーションと整合しており、一次近似および想定されたモデル制約下で本手法の妥当性が裏付けられている。