[論文レビュー] Spontaneous down conversion in metal-dielectric interface - a possible source of polarization-entangled photons

V. Hizhnyakov, Ardi Loot|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Quantum Mechanics and Applications参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、斜めに入射するレーザー励起下での金属-誘電体界面における自己発光的ダウンコンバージョンを用いて偏光もつれ光子対を生成する新規な手法を提案する。Kretschmann構成とナノ構造化金属膜を用いて位相一致を達成することで、高い変換効率でもつれ表面プラズモン極性波を効率的に生成可能であり、オンチップ量子フォトニクスへの有望な道筋を提供する。

ABSTRACT

Spontaneous down conversion in metal-dielectric interface in case of oblique laser excitation is considered. In this case it is possible to generate pairs of polarization entangled surface plasmon polaritons with high efficiency if to use excitation angle corresponding to the Kretschmann configuration for generated plasmons. The efficiency can be additionally enlarged if to use properly nanostructured metallic film allowing one to directly excite surface plasmon polaritons and to fulfill phase matching condition of them with generated surface plasmon polaritons.

研究の動機と目的

• 金属-誘電体界面における自己発光的ダウンコンバージョンを偏光もつれ光子の源として探索すること。
• 表面プラズモン極性波を用いることで、従来のもつれ光子生成における低効率という課題を解決すること。
• 最適化された励起幾何学とナノ構造化金属膜を用いて効率を向上させること。
• ポンプ光と生成された表面プラズモン極性波の間の位相一致を達成し、変換効率を向上させること。
• プラズモニック構造を用いたもつれ光子の生成が可能なスケーラブルでオンチップ互換性を持つプラットフォームを実現すること。

提案手法

• 金属-誘電体界面における斜めレーザー励起を用いて自己発光的ダウンコンバージョンを駆動する。
• Kretschmann構成を適用して表面プラズモン極性波を共鳴励起し、結合効率を向上させる。
• ナノ構造化金属膜を用いて表面プラズモン極性波を直接励起し、ポンプ光と生成モードの位相一致条件を満たす。
• 表面モードを伴う光子対生成を記述するため、量子光学の原則を用いてプロセスをモデル化する。
• 表面プラズモン状態の対称性とモード構造を通じて、生成された光子対の偏光もつれを分析する。
• 界面における運動量とエネルギー保存則がダウンコンバージョン過程に与える役割を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属-誘電体界面における自己発光的ダウンコンバージョンは、偏光もつれ光子対を効率的に生成できるか？
• RQ2 Kretschmann構成は、もつれ表面プラズモン極性波の生成効率をどのように向上させるか？
• RQ3 金属膜のナノ構造化は、位相一致と変換効率の向上にどの程度寄与できるか？
• RQ4 この構成で達成可能な偏光もつれの度合いはどの程度か？
• RQ5 このメカニズムは、コンactなオンチップ量子フォトニクスデバイスに統合可能か？

主な発見

• Kretschmann構成により、表面プラズモン極性波の共鳴励起が可能となり、自己発光的ダウンコンバージョンの効率が顕著に向上する。
• ナノ構造化金属膜により、表面プラズモン極性波の直接励起が可能であり、ポンプ光と生成モードの位相一致が達成される。
• 生成された光子対は、表面プラズモンモードの対称性のおかげで強い偏光もつれを示す。
• 理論的分析により、最適な励起角度および材料パrameter下で高い変換効率が確認された。
• 本システムは、スケーラブルでオンチッププラットフォームとしての実装が可能であり、量子情報回路への統合に潜在的応用を持つ。
• 本手法は既存のプラズモニック技術を活用しており、現在のナノフォトリソグラフィ技術と互換性がある。