[논문 리뷰] Efficient quadrature-squeezing from biexcitonic parametric gain in atomically thin semiconductors

Emil V. Denning, Knorr, Andreas외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 115인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 광학 공진기와 결합된 원자 두께의 반도체에서 이중자기극성 비선형 증폭을 이용해 매우 효율적인 온칩 사각형 스위칭 빛 소스를 제안한다. 이중자기극성 결합 상태를 이중광자 자극을 통해 공 resonance 조건에서 자극함으로써, 현재 최고 수준의 삼차 비선형 장치보다 한 단계 낮은 입력 전력에서 광역대 스위칭을 달성하며, 스위칭 대역폭은 몇 meV에 이른다.

ABSTRACT

Modification of electromagnetic quantum fluctuations in the form of quadrature-squeezing is a central quantum resource, which can be generated from nonlinear optical processes. Such a process is facilitated by coherent two-photon excitation of the strongly bound biexciton in atomically thin semiconductors. We show theoretically that interfacing an atomically thin semiconductor with an optical cavity allows to harness this two-photon resonance and use the biexcitonic parametric gain to generate squeezed light with input power an order of magnitude below current state-of-the-art devices with conventional third-order nonlinear materials that rely on far off-resonant nonlinearities. Furthermore, the squeezing bandwidth is found to be in the range of several meV. These results identify atomically thin semiconductors as a promising candidate for on-chip squeezed-light sources.

연구 동기 및 목표

• 양자 기술을 위한 저전력, 온칩 사각형 스위칭 빛 소스 개발
• 원자 두께의 반도체에서 강한 쿨롱 상호작용을 활용해 비선형 광학 반응 향상
• 2차원 재료에서의 이중자기극성 비선형 증폭이 공 resonance 이중광자 자극 조건에서 효율적인 스위칭을 가능하게 함을 입증
• 평균장 근사 이론을 초월한 다체 상관 시스템에서 스위칭의 스펙트럼 해상도 확보
• 원자 두께의 반도체를 통합 양자 빛 소스로서의 잠재력이 높은 플랫폼으로 식별

제안 방법

• 강한 빛-물질 결합을 위해 평판형 마이크로공진기와 단일층 전이 금속 디칼코겐화합물(예: MoS2)을 결합
• q=0에서 선형 편광을 갖는 일관된 레이저로 공진기 구동을 모델링하기 위해 입출력 형식 적용
• 평균장 이론을 초월한 밀도 행렬의 계층을 해결하기 위해 동역학 제어의 절단 기법 사용
• 공진기 광자, 전자 밴드, 쿨롱 상호작용을 포함하는 해밀토니안을 사용해 시스템 모델링
• 사각형 연산자 X(θ,t)의 시간 순서 정렬 및 정상 순서 관련 함수를 통해 스위칭 스펙트럼 Λ(ω) 계산
• K 및 K′ 밴드 구역을 포함하는 2차원 정육각형 브애브니 존 모델을 사용하고 스핀-밸리아스 편극성에 대한 원칙 적용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 두께의 반도체에서 이중자기극성 비선형 증폭이 기존의 삼차 비선형 재료보다 훨씬 낮은 입력 전력으로 사각형 스위칭 빛을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 달성 가능한 스위칭 대역폭은 얼마이며, 기존의 온칩 소스와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 다체 쿨롱 상관관계는 폴리티온 마이크로공진기에서 스위칭 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결합된 이중자기극성 상태의 공 resonance 이중광자 자극이 캐비티 통합 플랫폼에서 효율적인 비선형 증폭을 이끌 수 있는가?
• RQ5 밸리 및 스핀 선택 규칙은 효율적이고 편광된 스위칭을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 시스템은 1–10 mW의 입력 전력으로 사각형 스위칭을 달성하며, 현재 최고 수준의 삼차 비선형 장치보다 한 단계 낮은 전력 수준이다.
• 스위칭 대역폭은 몇 meV에 이르며, 양자 응용에 적합한 광역대 작동을 나타낸다.
• 시간 순서 정렬 및 정상 순서 관련 함수를 사용해 스펙트럼 해상도로 스위칭 스펙트럼 Λ(ω)를 계산하였다.
• 동역학 제어의 절단 기법을 통해 하르트리-폭 수준을 초월한 다체 상관관계를 정확하게 처리할 수 있었다.
• 결합된 이중자기극성 상태의 일관된 이중광자 자극은 비선형 증폭의 공 resonance 증폭을 이끌었다.
• 공 편광 및 교차 편광 검출 구성이 분석되었으며, 동일한 위상에 따라 스위칭 조절이 가능함을 보였다.