[論文レビュー] Stokes--anti-Stokes Correlations in Raman Scattering from Diamond Membranes

Mark Kasperczyk, Ado Jório+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2015

Mechanical and Optical Resonators参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンド膜からのラーマン散乱におけるストークス–アンチストークス光子相関を調査し、低レーザー出力でストークス励起アンチストークス（SaS）散乱が支配的となり、強力な量子相関が生じることを示した。2次相関関数 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ は $1/P_{\rm L}$ に従って減少し、顕著な非古典的スーパーバンチングを示し、ダイヤモンドにおけるフォノン媒介量子メモリ機構の確認に繋がった。

ABSTRACT

We investigate the arrival statistics of Stokes (S) and anti-Stokes (aS) Raman photons generated in diamond membranes. Strong quantum correlations between the S and aS signals are observed, which implies that the two processes share the same phonon, that is, the phonon excited by the S process is consumed in the aS process. We show that the intensity cross-correlation $g_{ m S,aS}^{(2)}(0)$, which describes the simultaneous detection of Stokes and anti-Stokes photons, decreases steadily with laser power as $1/{ m P_L}$. Contrary to many other material systems, diamond exhibits a maximum $g_{ m S,aS}^{(2)}(0)$ at very low pump powers, implying that the Stokes-induced aS photons outnumber the thermally generated aS photons. On the other hand, the coincidence rate shows a quadratic plus cubic power dependence, which indicates a departure from the Stokes-induced anti-Stokes process.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド膜におけるストークスおよびアンチストークスラーマン光子間の量子相関を調査すること。
• ストークス励起アンチストークス（SaS）散乱が熱的励起アンチストークス過程よりも支配的となる条件を特定すること。
• 第二階層強度交差相関 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ の出力依存性を定量的に評価し、非古典的光子対生成を同定すること。
• フォノン媒介プロセスがダイヤモンドにおける量子メモリおよび予報型単一光子源を可能にする役割を評価すること。
• 膜厚およびレーザーパルス繰り返し周波数が相関可視度およびバックグラウンド抑制に与える影響を分析すること。

提案手法

• 785 nmの励起レーザーを用い、130 fsパルス、76 MHz繰り返し周波数で、50 μm 厚の自由膜ダイヤモンド膜におけるストークスおよびアンチストークスラーマン信号を測定した。
• スペクトルラインフィッティングを用いて、平均レーザー出力 $P_{\rm L}$ に対するストークスおよびアンチストークス信号強度を抽出した。
• ゼロ時間遅れにおける coincidence 数から第二階層強度交差相関 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ を算出し、誤った coincidence で正規化した。
• 複数パルス相関を考慮するため、2次および3次項を含む共鳴率の出力依存性をモデル化した。
• 時間分解型 coincidence ヒストグラムを分析し、パルス内 ($\Delta t = 0$) およびパルス間 ($\Delta t \neq 0$) の寄与を分離した。
• パルス内とパルス間の coincidence ピークの比を用いて、$g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ の $P_{\rm L}^{-1}$ 依存性を導出し、フォノン媒介相関の確認を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド膜において、第二階層交差相関 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ はどのように励起レーザー出力に依存するか？
• RQ2 低励起出力条件下で、熱的励起アンチストークス光子とストークス励起アンチストークス光子の寄与比はそれぞれどの程度か？
• RQ3 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ が $1/P_{\rm L}$ に従って減少するのはなぜか？また、これはパルス間相関とどのように関係するか？
• RQ4 パルス間相関は、$\Delta t = 0$ における真の量子相関測定をどの程度歪めるか？
• RQ5 ダイヤモンド膜をどのように設計すれば、量子メモリおよび単一光子源用途における $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ を最大化できるか？

主な発見

• ストークス信号はレーザー出力に対して線形に依存し、自発的ラーマン散乱の挙動を確認した。
• アンチストークス信号は低強度領域で線形に依存（熱的フォノン支配）であり、高強度領域で2次に依存（ストークス励起アンチストークス散乱の兆候）。
• 第二階層交差相関 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ は $1/P_{\rm L}$ に従って減少し、古典的境界を破る顕著な非古典的相関を示した。
• 極めて低い励起出力では $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ が最大値に達し、ストークス励起アンチストークス光子が熱的生成光子を上回ることを確認した。
• coincidence 率は2次および3次の出力依存性を示し、$P_{\rm L}$ に比例するパルス間相関寄与が明らかになった。
• より薄いダイヤモンド膜では、パルス内ピークよりもパルス間ピークがより顕著に減少し、$g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ が古典的限界（2）を超えて向上した。