[論文レビュー] On-chip linear and nonlinear control of single molecules coupled to a nanoguide

Pierre Türschmann, Nir Rotenberg+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、マイクロエレクトロードを介した静電場と非線形ドレッシングを介した光学場を用いて、ナノガイドに結合した単一分子のオンチップ制御を実証した。スターリング効果とコherentな光学スイッチングを活用することで、光伝播のチューナブルな線形および非線形変調を達成し、最大0.3%のコherentプローブ増幅と7%の消光を実現した。これにより、単一分子の精度を持つスケーラブルな量子フォトニクス回路の実現が可能になった。

ABSTRACT

While experiments with one or two quantum emitters have become routine in various laboratories, scalable platforms for efficient optical coupling of many quantum systems remain elusive. To address this issue, we report on chip-based systems made of one-dimensional subwavelength dielectric waveguides (nanoguides) and polycyclic aromatic hydrocarbon molecules. After discussing the design and fabrication requirements, we present data on coherent linear and nonlinear spectroscopy of single molecules coupled to a nanoguide mode. Our results show that external microelectrodes as well as optical beams can be used to switch the propagation of light in a nanoguide via the Stark effect and a nonlinear optical process, respectively. The presented nanoguide architecture paves the way for the investigation of many-body phenomena and polaritonic states and can be readily extended to more complex geometries for the realization of quantum integrated photonic circuits.

研究の動機と目的

• ナノガイドと単一分子を用いて、多数の量子発光体との効率的結合を実現するスケーラブルなオンチッププラットフォームの開発。
• 既存の量子光学系における低結合効率とスケーラビリティの課題の克服。
• 外部の静電場および光学場を用いた、個々の量子発光体に対する正確な制御の実現。
• 統合フォトニクスアーキテクチャにおいてポラリトニック状態や多体量子現象を実現する可能性の調査。
• フィードバック構造および将来の量子回路部品と互換性を持つチップ統合型システムの実証。

提案手法

• TiO2 や融けたケイ酸ガラスからなる一次元のサブ波長ダイレクトリックナノガイド（ナノガイド）をフォーミングし、その中にポリサイクル芳香族炭化水素（PAH）分子（例えばジベンゾテルレレン（DBT））をホストマトリックスに埋め込んだ。
• 分子遷移周波数のスターリング効果に基づく制御を可能とするために、チップ上にインジウムスズ酸化物（ITO）マイクロエレクトロードを統合した。
• ナノガイドモードとPAH分子とのエバネッセント結合を用いて、強い光-物質相互作用を実現した。
• 可変なデチューニングを有する弱いプローブビームと強いポンプビームを照射することで、コherentな線形および非線形分光測定を実施した。
• ポンプビームとプローブビームの空間的分離を実現するため、サイドインフォージュレーションジオメトリを採用し、非線形効果の明確な観察を可能にした。
• 透過スペクトルを計算および正規化することで、直接的なポンプ散乱からのコherentプローブ増幅を分離した。また、数時間にわたるスペクトル拡散が0.2Γ₀未満であることを考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノガイドに結合した単一分子は、チップ上に統合されたマイクロエレクトロードを用いた外部静電場によって制御可能か？
• RQ2 分子状態の非線形ドレッシングによる光学的制御は、ナノガイド内の光伝播のスイッチングを可能にするか？
• RQ3 非線形光学的制御場を用いて、プローブビームの最大で達成可能なコherent増幅または消光はどれくらいか？
• RQ4 分子共鳴は時間経過とともにどの程度安定しているか？スペクトル拡散の制御精度に及ぼす影響は？
• RQ5 チップベースのナノガイドアーキテクチャは、多数の量子発光体のスケーラブル統合と多体量子光学に適しているか？

主な発見

• ナノガイドプラットフォームは、チップ上に統合されたマイクロエレクトロードを用いたスターリング効果に基づく単一分子の線形制御を可能にし、分子遷移周波数のチューニングが実現された。
• 強いポンプビームを用いた非線形光学的制御により、プローブビームのコherent増幅が誘発され、最大0.3%のネット信号強化を達成した。
• 最適なポンプ-プローブデチューニング条件下で、プローブビームの消光が最大7%に達した。これは強力なスイッチング能力を示している。
• 透過マップからは、プローブの減衰領域と増幅領域の両方が観察されたが、後者は主にポンプビームの共鳴散乱に起因していた。
• スペクトル安定性は数時間にわたり維持され、スペクトル拡散は0.2Γ₀未満に抑えられ、再現性のある測定が可能になった。
• システムは回折限界の分解能を有する空間選択的スイッチングを実現し、数百MHzまでのモード速度を有しており、量子情報処理に適している。