[논문 리뷰] Nonlinear generation of quantum-entangled photons from high-Q states in dielectric nanoparticles

Alexander N. Poddubny, Daria A. Smirnova|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 14.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 19인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 고품질(고-Q) 준결합 상태인 연속체 내의 비결합 상태(BIC)를 자극하여 AlGaAs 나노디스크에서 자발적 파라메트릭 다운컨버전스(SPDC)를 통한 양자 얽힌 광자 쌍 생성을 공진적으로 강화하는 방법을 제안한다. 이 메커니즘은 자화 모멘트의 이중극자 모드와 자화 팔중극자 모드 간의 다중극자 혼합에 기반하며, 이는 펌프 주파수와 공진하는 고-Q 상태를 생성하여 신호 및 보조 주파수의 합이 고-Q 모드 주파수와 일치할 경우에 얽힌 광자 방출이 급격히 증가하게 한다. 이 강화 효과는 전장 시뮬레이션과 3단계 분석 모델을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

We develop multipolar theory of nonlinear generation of entangled photons from subwavelength dielectric particles due to the spontaneous parametric downconversion. We demonstrate that optical excitation in resonance with the high-quality supercavity mode of the aluminum gallium arsenide (AlGaAs) nanodisk leads to a strong enhancement of generation of entangled photon pairs associated with electric and magnetic dipole modes. Our rigorous numerical results are corroborated by an analytical model, universally describing formation of high-$Q$ resonant states and dark states due to the interference and interplay of the parent multipoles, namely, magnetic dipoles and magnetic octupole. Our findings and description can be instructive for quantum and nonlinear nanophotonics applications.

연구 동기 및 목표

• 유전체 나노입자에서 얽힌 광자 비선형 생성을 위한 다중극자 이론을 개발하기 위해.
• AlGaAs 나노디스크에서 고-Q 상태를 통한 SPDC의 공진적 강화를 입증하기 위해.
• 전기 및 자석 다중극자의 간섭을 통해 고-Q 및 어두운 상태의 다중극자 기원을 설명하기 위해.
• 유전체 나노입자에서 고-Q 및 어두운 상태를 기술하는 보편적인 분석 모델을 제공하기 위해.
• 나노스케일에서 효율적이고 컴act하며 통합 가능한 양자 광원을 실현하기 위해.

제안 방법

• 임의의 비선형 나노구조에서 이광자 생성을 위한 엄밀한 그린 함수 기반 양자광학 이론을 활용한다.
• 산란 및 전자기장 분포를 모델링하기 위해 t-행렬 또는 확장된 경계 조건 방법을 사용한다.
• 자화 이중극자 및 자화 팔중극자 모드 간의 혼합을 기술하기 위해 3단계 분석 모델을 적용한다.
• 벡터 구면 조화 함수 전개를 사용하여 전자기장을 다중극 성분(J 및 H 함수)으로 분해한다.
• 나노디스크 부피 내의 χ(2) 비선형성에 대한 적분을 통해 비선형 결합 행렬 원소를 계산한다.
• 다양한 종횡비(r/h)를 가진 AlGaAs 나노디스크에 대한 전장 수치 시뮬레이션을 수행하며, M=0 및 M=1 모드에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전체 나노입자 내 고-Q 공진 상태가 SPDC를 통해 얽힌 광자 생성을 어떻게 강화하는가?
• RQ2 서브파장 유전체 나노입자 내 고-Q 및 어두운 상태의 다중극자 기원은 무엇인가?
• RQ3 자화 이중극자 및 자화 팔중극자 모드 간의 혼합이 어떻게 SPDC 효율을 향상시키는가?
• RQ4 보편적인 분석 모델이 유전체 나노입자 내 고-Q 및 어두운 상태를 모두 기술할 수 있는가?
• RQ5 각운동량 투영(M)은 얽힌 광자 방출의 선택 규칙에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 신호 및 보조 광자 주파수의 합이 고-Q 모드 주파수와 일치할 때, 특히 r/λi + r/λs = 0.2875에서 얽힌 광자 쌍 생성이 급격히 증가하는 것을 관측하였다.
• SPDC 스펙트럼은 종횡비 r/h = 0.71에서 뚜렷한 피크를 보이며, 이는 선형 산란 스펙트럼에서 고-Q 상태 형성과 일치한다.
• 그림 6의 부속도에서 보듯이, r/h = 0.71 근처에서 스펙트럼 통합 형편한 SPDC 효율이 크게 증가한다.
• 고-Q 상태는 자화 이중극자 및 자화 팔중극자 모드의 혼합으로 인해 방사 채널 간의 상쇄 간섭으로 인해 발생한다.
• 3단계 분석 모델은 고-Q 및 어두운 상태를 성공적으로 기술하며, 이는 이전의 2상태 모델을 일반화한 것이다.
• 펌프가 고-Q 모드를 자극할 경우 이중광자 파동함수는 급격한 최대값을 보이며, 이는 얽힌 광자 방출의 공진적 강화를 확인한다.