[논문 리뷰] Multiphoton processes due to XPM nonlinearities in EIT systems:a basic description

Archana Sharma|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 05.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 전자기 유도 투명성(EIT) 시스템 내 교차 위상 모드(XPM)에서 단일 다중광자 과정이 여러 필드에 걸쳐 관측 가능하게 하는 새로운 대칭성을 규명한다. 이로 인해 시간적으로 얽힌 광자들 및 교차 필드 노이즈 상관관계를 갖는 강한 소스가 생성되며, 비대칭 다중광자 과정의 두 유형을 제안하지만, 그 중 하나만 물리적으로 가능하다는 것을 증명한다. 또한 기존에 설명되지 않았던 χ⁽⁵⁾ 흡수 공진이 비정상적인 허수 부분을 지니며, 이는 기존의 알려진 기계와는 다름없이 압축을 유도한다.

ABSTRACT

We have found a novel symmetry for XPM(Cross Phase Modulation) systems .We prove that this symmetry is a necessary condition for a single multiphoton process to be visible in more than one field.We have found, two EIT(Electromagnetically Induced Transparency) systems that show cases of this symmetry.The above process has the possibility of leading to strong sources of temporally entangled photons of different frequency. For cases that do not show this symmetry,more than one species of multiphoton processes can take place and each one is visible in one field only. When there is a symmetry, we predict cross field noise correlations for the scattered fields.Cross field noise correlations have recently been seen in a different situation that can provide interesting variation to our study,namely the generated fields in FWM(Four Wave Mixing). We postulate or conjecture the existence of two types of asymmetric multiphoton processes.We show only one of these is possible. One of systems we use for this purpose generates a $\chi^{(9)}$ absorption resonance that is observable on the same trace that shows linear features, in an experiment described in a previous work but the order of nonlinearity newly interpreted using this work.This high order nonlinearity should be very sensitive to cross field correlations.We show how it can be used to test our conjecture of asymmetric processes. We also come across an important $\chi^{(5)}$ absorption,comparable to linear absorption, that is anomalous.The anomaly is that the Imaginary part of this XPM nonlinearity can cause squeezing.We give a qualitative argument which shows that we don't expect the Imaginary part of the XPM nonlinearities we usually come across, to cause squeezing.This promising source of squeezing, is qualitatively different from the other sources hitherto known.

연구 동기 및 목표

• XPM 시스템에서 단일 다중광자 과정이 여러 필드에 걸쳐 관측 가능하게 하는 새로운 대칭성을 규명하는 것.
• EIT 기반 XPM 시스템에서 교차 필드 노이즈 상관관계가 발생하는 조건을 조사하는 것.
• 비선형 광학 시스템에서 비대칭 다중광자 과정의 존재성과 실현 가능성 탐색하는 것.
• 이전에 관측된 χ⁽⁹⁾ 흡수 공진을 고차 비선형성과 교차상관관계의 관점에서 재해석하는 것.
• 허수 부분이 양자 압축을 유도할 수 있는 χ⁽⁵⁾ 비선형성의 비정상적 행동을 분석하는 것.

제안 방법

• XPM 비선형성의 이론적 분석을 통해 다중광자 과정이 한 개 이상의 필드에서 관측 가능하도록 하는 필수 대칭 조건을 유도하는 것.
• 특정 두 종류의 EIT 시스템을 사용하여 대칭성과 다중광자 과정, 노이즈 상관관계에 미치는 영향을 시현하는 것.
• 비선형 반응 이론을 적용하여 실험적 추적 데이터로부터 고차 비선형 감도(χ⁽⁹⁾ 및 χ⁽⁵⁾ 포함)를 식별하고 특성화하는 것.
• 일반적으로 XPM 비선형성의 허수 부분이 압축을 일으키지 않음을 보여주는 정성적 논증을 제시하는 것. 유일하게 예외적인 것은 비정상적인 χ⁽⁵⁾의 경우이다.
• 이전 실험에서 관측된 χ⁽⁹⁾ 공진을 새로운 대칭 프레임워크를 사용해 재해석하는 것.
• 제안된 χ⁽⁵⁾ 메커니즘을 기존의 압축 기원과 비교하여 그 질적 독창성을 부각하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XPM 시스템에서 단일 다중광자 과정이 여러 필드에 걸쳐 관측 가능하도록 하기 위한 필수 대칭 조건은 무엇인가?
• RQ2 이 대칭성에 의해 EIT 시스템에서 교차 필드 노이즈 상관관계가 발생할 수 있으며, 다중광자 과정과의 관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 비대칭 다중광자 과정이 두 종류 존재하는가? 만약 그렇다면, 그 중 어느 것이 물리적으로 실현 가능한가?
• RQ4 이전에 관측된 χ⁽⁹⁾ 흡수 공진은 고차 비선형성과 교차상관관계의 관점에서 어떻게 재해석될 수 있는가?
• RQ5 왜 χ⁽⁵⁾ XPM 비선형성의 허수 부분은 일반적인 기대와는 반대로 압축을 유도하는가?

주요 결과

• 단일 다중광자 과정이 여러 필드에 걸쳐 관측 가능하도록 하기 위한 XPM 시스템에서 새로운 대칭성이 필수 조건으로 규명되었다.
• 이 대칭성은 서로 다른 주파수를 지닌 강력한 시간적 얽힘 광자를 생성할 수 있도록 한다.
• 대칭적인 XPM 시스템에서 교차 필드 노이즈 상관관계가 예측되며, 이는 FWM 과정에서 최근 관측된 결과와 일치한다.
• 이론적 프레임워크에 기반해 두 가지 제안된 비대칭 다중광자 과정 중 하나만 물리적으로 실현 가능하다.
• χ⁽⁵⁾ 흡수 공진은 비정상적이며, 그 허수 부분이 양자 압축을 유도할 수 있다 — 이는 기존의 알려진 메커니즘과는 다름.
• 이전 실험에서 관측된 χ⁽⁹⁾ 흡수 공진은 고차 비선형성의 징후로 재해석되며, 교차 필드 상관관계에 민감하다.