[논문 리뷰] Chiral-reversing vortex radiation from a single emitter by eigenstates phase locking

Xingyuan Wang, Hua‐Zhou Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 04.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics참고 문헌 67인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 파리티-시간 대칭 링 공진기에서 특이점에서의 고유상태 위상锁定을 이용하여 단일 발광체로부터 편극성 반전의 소용리 방사선을 구현한다. 1000배까지의 푸르셀 강화를 갖는 플라스모닉 나노공진기와 결합된 양자점 발광체를 통해, 제어 가능한 위상 전하를 갖는 소용리 빛을 생성하며, 이는 시스템의 고유상태에 비해 방출되는 복사의 편극성을 반전시킨다. 이는 나노스케일의 편극성 양자 광학 및 소용리 레이저의 새로운 패러다임을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The radiation of an emitter does not depend only on its intrinsic properties but also on the surrounding photonic environment, the notion of which is essential in the developments of lasers, quantum optics and other light-matter interaction related fields. However, in conventional wisdom, an emitter radiates into photonic eigenstates in the weak coupling regime and does not alter the property of the latter. Here, we report a counterintuitive phenomenon where the radiation field of a dipole in a parity-time symmetric ring resonator displays the opposite handedness to the eigenstates of the system. This chiral-reversing radiation takes place at an exception point of the underlying non-Hermitian system, where the singularity at the exceptional point forces a phase locking of the coalesced eigenstates when interacting with the dipole emitter. Such an intriguing phenomenon has been employed to construct vortex radiation with controllable topological charge from a single quantum dot embedded plasminic nanocavity with Purcell enhancement factor up to 1000. Our scheme enriches the interesting physics of an exception point in the quantum region and may open a new paradigm for chiral quantum optics and vortex lasers at nanoscale.

연구 동기 및 목표

• 기존의 약한 결합 영역을 초월하여 광학 환경이 단일 발광체의 방사선의 편극성에 미치는 영향을 탐구한다.
• 비헤르미트 시스템에서 특이점이 방출되는 복사의 수동성(우락성)을 어떻게 변화시키는지 조사한다.
• 제어 가능한 위상 전하를 갖는 소용리 빛을 단일 양자점 발광체로부터 생성하는 메커니즘을 제시한다.
• 고유상태 위상锁定을 이용하여 편극성 양자 광학 및 나노스케일 소용리 레이저를 위한 새로운 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• 파리티-시간 대칭 링 공진기를 이용하여 특이점을 갖는 비헤르미트 광학 구조를 만든다.
• 쌍극자 발광체를 공진기와 결합시켜 특이점에서 융합된 고유상태의 위상锁定을 유도한다.
• 발광체와 광학 고유모드의 결합된 시스템을 해석함으로써 복사장을 계산하며, 이는 편극성 반전을 드러낸다.
• 특이점에 대한 발광체의 위치와 결합 강도를 조절하여 시스템의 위상 전하를 제어한다.
• 플라스모닉 나노공진기에서 최대 1000배의 푸르셀 강화를 달성하여 방출 효율을 크게 향상시킨다.
• 수치 시뮬레이션과 해석적 모델링을 통해 고유상태 융합과 위상锁定을 통한 편극성 반전 효과를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 발광체에서 방출되는 복사의 편극성이 그 광학 환경의 고유상태와 반대가 될 수 있는가?
• RQ2 특이점에서 융합된 고유상태의 위상锁定이 방출되는 소용리 복사의 수동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 발광체 시스템에서 방출되는 소용리 빛의 위상 전하는 어느 정도 제어 가능한가?
• RQ4 푸르셀 강화는 나노스케일에서 효율적인 편극성 소용리 방사선을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 특이점을 갖는 비헤르미트 광학 시스템을 이용하여 양자 광학을 위한 새로운 빛-물질 상호작용을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 방출되는 복사의 편극성이 광학 시스템의 고유상태와 반대가 되며, 이는 특이점 물리학에 의해 이끌어지는 반직관적인 결과이다.
• 특이점에서 융합된 고유상태의 위상锁定은 복사장의 편극성 반전을 유도하는 데 필수적이다.
• 시스템은 제어 가능한 위상 전하를 갖는 소용리 빛을 생성하여 빛의 궤도 운동량을 동적으로 조절할 수 있다.
• 플라스모닉 나노공진기에서 최대 1000배의 푸르셀 강화 요소를 달성하여 방출 강도를 크게 향상시켰다.
• 이 현상은 단일 양자점이 특화된 광학 환경에 임베디드된 상태에서도 견고하게 관측 가능하다.
• 결과적으로 나노스케일 빛 소스에서 편극성 제어를 위한 새로운 메커니즘이 입증되었으며, 이는 편극성 양자 광학 및 통합 소용리 레이저의 새로운 길을 열어준다.