[논문 리뷰] Nonclassical light generation and control from laser-driven semiconductor intraband excitations

Ivan Gonoskov, René Sondenheimer외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 11.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 레이저 장에 의해 구동되는 반도체에서 고조파 생성(HHG)을 위한 양자 광학 프레임워크를 제안하며, 부 band 전자 동역학이 기본 및 고조파 광학 모드 간의 비선형 결합을 유도함을 보여준다. 주요 결과는 모든 광학 모드를 관통하는 내재된 다중편재 얽힘을 생성함으로써 양자 정보 처리를 위한 확장 가능한 광자 자원 상태를 가능하게 한다. 넓은 스펙트럼 커버리지가 가능하다.

ABSTRACT

We investigate the generation of higher-order harmonics from a quantum optics perspective via the interaction of a semiconductor with a coherent pump field focusing on the regime where strong-field intraband excitations dominate. The related Schrödinger equation for the system is solved approximately and the classical and quantum characteristics of the fundamental light mode as well as the higher frequency modes are analyzed. We find intricate but sufficiently mild modifications of the fundamental mode and coherent displacements depending on the position quadrature component of the driving laser field for the harmonic modes within our approximations due to the intricate induced nonlinear interactions. Similar to high-harmonic generation in atoms, all radiation field modes are entangled, allowing for potential novel protocols for quantum information processing with high photon numbers over a large range of frequencies.

연구 동기 및 목표

• 강한 레이저 장에 의해 구동되는 반도체에서 고조파 생성(HHG)의 양자역학적 기술을 개발하는 것. 특히 부 band 전이에 중점을 두며.
• 방출된 복사장의 고전적 및 양자적 성질을 분석하며, 특히 생성된 모드의 비가우시안성과 얽힘 성격을 중심으로 한다.
• 반도체의 비선형 밴드 분산이 고전적 기대를 초월한 구조적이고 비트ivial한 복사장 수정을 어떻게 유도하는지 조사한다.
• 레이저 구동 부 band HHG가 양자 정보 처리를 위한 복잡한 얽힌 광자 상태의 원천으로서의 잠재력을 탐색한다.
• 반도체-맥스웰-블로흐 방정식에서 유도된 고전적 해와의 비교를 통해 분석 모델을 검증한다.

제안 방법

• 반도체와 다중모드 양자화된 빛의 결합된 시스템에 대해 슈뢰딩거 방정식을 제1차 근사로 풀며, 비선형 밴드 분산 효과를 포함한다.
• 해밀토니언은 밴드 분산을 통해 필드 연산자가 비선형적으로 들어가며, 원자적 HHG에서의 선형 드라이브 쌍극자 결합과 다릅니다.
• 조화 모드에서 코herent 상태의 이동을 위한 해석적 해를 유도하며, 펌프 장의 위치 위상에 따라 매개변수화된다.
• 연산자 $\hat{\bm{1}} - \ket{G_0}\bra{G_0}$ 를 통한 조건부 상태 투영을 통해 HHG에 의해 생성된 상태를 추출하며, 진공 성분을 제거한다.
• 결과 상태는 모든 광학 모드에 걸쳐 비분리성과 얽힘을 보여주기 위해 위치 표현으로 표현된다.
• 고전적 영역에서 반도체-맥스웰-블로흐 방정식의 수치적 해와의 비교를 통해 해를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체의 비선형 부 band 전자 동역학은 고조파 생성에서 방출된 빛의 양자 상태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 강한장 부 band 자극 하에서 기본 및 고조파 모드의 양자적 성질은 어느 정도까지 상호 얽힘을 이루는가?
• RQ3 펌프 장의 위치 위상이 조화 모드의 이동 진폭을 어떻게 결정하는가?
• RQ4 반도체의 비선형 밴드 분산은 어떻게 복사장의 비가우시안 수정을 유도하는가?
• RQ5 반도체에서의 HHG 과정이 양자 정보 응용을 위한 사용 가능한 다중편재 얽힌 광자 상태를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 비선형 상호작용으로 인해 방출된 복사장은 비가우시안 수정을 보이지만, 펌프 장의 위치 위상 함수의 기대값은 그대로 유지된다.
• 조화 모드는 펌프 장의 위치 위상에 따라 비선형적으로 일관되게 이동하며, 부 band 잠재력의 최소점에서 $|\alpha_j|^2 \sim N_0$ 가 된다.
• HHG 과정은 조건부 상태 $\braket{\vec{Q}}{G_{\mathrm{HHG}}}$ 의 비분리적 구조를 통해 모든 광학 모드 간에 자연스럽게 다중편재 얽힘을 생성한다.
• 이 얽힌 상태의 구조는 원자적 HHG와 유사하지만, 비선형 밴드 분산로 인해 펌프 장의 위상에 더 강한 의존성을 보인다.
• 시스템은 적외선에서 자외선까지 넓은 스펙트럼 범위에서 고에너지 광자를 생성하므로, 양자 정보 응용에 적합하다.
• 해석적 해는 고전적 SMBE 시뮬레이션과 일치하며, 제1차 근사 및 가정된 모델 제약 조건 내에서 접근법을 검증한다.