[논문 리뷰] Atomic metasurfaces for manipulation of single photons

Ming Zhou, Jingfeng Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 14.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 47인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자 조작을 위한 이중준위체계(TLS) 기반 원자 메타표면을 제안하며, 양자 산란 이론을 활용해 동적으로 조절 가능한 단일 광자 유도 및 방향성 비출을 가능하게 한다. 이 방법은 삼중준위 Λ형 원자를 포함한 시트를 사용하여 광자 방출 및 전파에 대한 손실이 없고, 하위파장 수준의 제어를 실현하며, 기존의 광학 공진기에서는 달성할 수 없는 功能을 구현한다.

ABSTRACT

Metasurfaces are an emerging platform for manipulating light on a two-dimensional plane. Existing metasurfaces comprise arrays of optical resonators such as plasmonic antennas or high-index nanorods. In this letter, we describe a new approach to realize metasurfaces based on electronic transitions in two-level systems (TLSs). These metasurfaces can reproduce all of the major results in conventional metasurfaces. In addition, since TLSs can be lossless, tunable, and orders of magnitude smaller than optical resonators, atomic metasurfaces can realize functions that are difficult to achieve with optical resonators. Specifically, we develop quantum scattering theory to describe the interaction between single photons and atomic metasurfaces. Based on the theory, we use a sheet of three-level Λ-type atoms as an example and theoretically demonstrate dynamically tunable single-photon steering. We further show directional beaming of spontaneously emitted photons from atomic metasurfaces.

연구 동기 및 목표

• 이중준위체계(TLS)의 전자 이완 현상을 기반으로 한 새로운 종류의 메타표면을 개발하여 단일 광자 조작에 활용하는 것.
• 플라즈몬 안테나나 고굴절률 나노막대 기반의 기존 메타표면의 한계, 즉 높은 손실과 제한된 조절 가능성 문제를 해결하는 것.
• 원자 메타표면이 기존 메타표면의 주요 기능을 모두 구현할 뿐 아니라 동적 조절 가능성과 하위파장 제어와 같은 새로운 능력을 제공할 수 있음을 입증하는 것.
• 양자 산란 프레임워크를 사용하여 원자 메타표면과 상호작용하는 단일 광자의 양자 역학적 동역학을 이론적으로 탐구하는 것.

제안 방법

• 연구는 메타표면 구조에서 두 개의 준위체계(TLS)로 이루어진 2차원 배열과 단일 광자 간의 상호작용을 모델링하기 위해 양자 산란 이론을 적용한다.
• 외부 제어 필드를 통해 광자 경로를 동적으로 조절할 수 있도록 삼중준위 Λ형 원자를 모델 시스템으로 사용한다.
• 입사하거나 방출되는 단일 광자의 산란 행렬과 복사 패턴을 계산하기 위해 이론적 분석을 수행한다.
• 제어 매개변수를 다양하게 조절하여 광자 유도 및 방향성 방출의 동적 조절 가능성을 입증한다.
• 빛-물질 상호작용을 양자 수준에서 모델링하기 위해 두극자 근사와 회전파 근사를 기반으로 한 이론적 유도를 수행한다.
• 이 프레임워크를 통해 원거리 복사 패턴과 자발적 방출에서의 방향성 정도를 계산할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TLS 기반 원자 메타표면이 기존 메타표면의 단일 광자 조작 기능을 재현할 수 있는가?
• RQ2 원자 준위의 동적 조절이 원자 메타표면 내 단일 광자 유도에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 기존의 방출체와 비교해 원자 메타표면이 자발적 방출 광자의 직접성(방향성)을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 양자 간섭 현상이 원자 메타표면에서 방향성 비출과 조절 가능한 산란을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 플라즈몬 또는 유전체 공진기와 비교해 원자 메타표면이 최소한의 손실로 하위파장 제어를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 프레임워크는 원자 메타표면이 기존 메타표면의 주요 기능, 즉 파면 형상 조절과 광선 유도를 모두 달성할 수 있음을 입증한다.
• 외부 제어 필드가 원자 준위의 상태를 조절함으로써 Λ형 원자 시스템을 사용한 단일 광자 유도의 동적 조절이 이론적으로 입증되었다.
• 원자 집합 내에서 발생하는 양자 간섭 현상으로 인해 자발적 방출 광자가 특정 각도로 방출되는 방향성 비출이 실현되었다.
• 원자 메타표면 설계는 하위파장 수준의 공간적 제어를 가능하게 하며, 기존 광학 공진기보다 기하급수적으로 작은 특징 치수를 가진다.
• TLS 기반 메타표면에서는 전자 이완이 위상적으로 일관되므로 이론적으로 손실 없는 작동이 가능하며, 손실이 큰 플라즈몬 구조와는 대조된다.
• 방출 패턴에서 강한 각도 의존성이 관찰되어 간섭 최대화를 통해 자발적 방출에서 높은 방향성을 실현할 수 있다.