[논문 리뷰] Nonreciprocal photon blockade via quadratic optomechanical coupling

Xun‐Wei Xu, Yan-Jun Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 20.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 63인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 웨이브기어 모드(optomechanical system)에서 모드 반대교차(anticrossing)를 통해 이차(optomechanical) 결합을 공학함으로써 비대칭 광자 차단(nonreciprocal photon blockade)을 제안한다. 일방향으로 광학적 펌프를 가할 경우 강한 광자 반상관(antibunching)과 함께 단일 광자 이동이 방향성 있게 가능해지며, 핵심 결과는 비선형 결합과 열 진동수 제어를 통해 높은 격리도와 조절 가능한 양자 통계를 갖는 일방향 광자 차단이다.

ABSTRACT

We propose to manipulate the statistic properties of the photons transport nonreciprocally via quadratic optomechanical coupling. We present a scheme to generate quadratic optomechanical interactions in the normal optical modes of a whispering-gallery-mode (WGM) optomechanical system by eliminating the linear optomechanical couplings via anticrossing of different modes. By optically pumping the WGM optomechanical system in one direction, the effective quadratic optomechanical coupling in that direction will be enhanced significantly, and nonreciprocal photon blockade will be observed consequently. Our proposal has potential applications for the on-chip nonreciprocal single-photon devices.

연구 동기 및 목표

• 웨이브기어 모드(WGM) 옵티omechanical 시스템에서 이차(optomechanical) 결합을 이용한 비대칭 광자 차단을 입증하기.
• 다른 광학 모드의 반대교차를 통해 선형(optomechanical) 결합을 제거하여 정상적인 광학 모드에서 이차 결합만을 분리하기.
• 일방향 광학 펌프를 통한 광자 통계의 방향성 제어를 달성하기.
• 열 진동수가 비대칭 이동과 광자 통계를 조절하는 데 미치는 영향을 조사하기.
• 격리기, 라우터, 광원과 같은 온칩 비대칭 단일 광자 장치의 실현 가능성을 높이기.

제안 방법

• WGM 시스템에서 서로 다른 광학 모드의 반대교차를 통해 선형 결합을 제거하고 이차(optomechanical) 결합을 공학함.
• 강한 일방향 광학 펌프를 사용하여 펌프된 방향에서만 효과적인 이차 결합을 강화함.
• 결합 강도 G와 떨어짐 Δ를 포함한 효과적 해밀토니안을 유도함.
• 강한 비선형 효과를 확보하기 위해 분해능 측변대역(resolved-sideband) 조건(ωm ≫ γc)에서 시스템을 분석함.
• 비대칭성과 광자 통계를 정량화하기 위해 전송 계수 T21과 T12, 그리고 이阶 상관 함수 g(2)21(0)을 계산함.
• 실험적 실현을 위해 스펙트럼 필터링을 사용하여 강한 주도장으로부터 약한 프로브 신호를 분리함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WGM 시스템의 정상 광학 모드에서 선형 결합을 억제함으로써 이차(optomechanical) 결합을 공학할 수 있는가?
• RQ2 일방향 광학 펌프가 이차 결합을 강화하고 비대칭 광자 차단을 유도하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 비대칭 영역에서 열 진동수가 격리비율과 광자 통계를 조절하는 데 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 높은 전송도와 강한 반상관을 갖는 비대칭 광자 차단을 달성할 수 있는가?
• RQ5 특히 Δ = ±√6G 및 Δ = √2G 근처에서 시스템의 거동는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 일방향으로 펌프를 가할 경우 전송 계수 T21 ≫ T12를 관측하여 일방향 단일 광자 이동이 가능함을 입증함.
• 떨어짐 Δ = ±√6G에서 열 진동수 수 n_th가 증가함에 따라 격리비율 T21/T12가 증가함. 이는 |1₀⟩ 진동수 상태의 인구 증가로 인한 것임.
• Δ = ±√6G에서 광자 반상관(g(2)21(0) < 1)이 관측되어 전달된 광장이 강한 단일 광자 성질을 띠고 있음을 나타냄.
• Δ = √2G에서 열 진동수에도 불구하고 시스템은 견고한 격리 성능을 보이지만, n_th 증가에 따라 반상관이 약화됨.
• Δ = 0 및 Δ = ±√2G에서 격리성과 g(2)21(0) 모두가 열 진동수의 영향을 크게 받음. 이는 초저온 센서 응용 가능성을 시사함.
• 그래핀 또는 포토닉 크리스탈 WGM 공진기에서 구현 가능한 분해능 측변대역 조건과 스펙트럼 필터링 기술을 통해 실험적 실현 가능성 확보됨.