[논문 리뷰] On-chip linear and nonlinear control of single molecules coupled to a nanoguide

Pierre Türschmann, Nir Rotenberg외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 20.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 마이크로전극를 통한 전기장과 비선형 드레싱을 통한 광장에 의한 나노가이드에 결합된 단일 분자의 칩 내 제어를 구현한다. 스타크 효과와 공명 광학 스위칭을 활용하여 빛의 전파에 대해 조절 가능한 선형 및 비선형 조절을 달성하였으며, 최대 0.3%의 공명 탐지 증폭과 7%의 완전성 감소를 기록하여 단일 분자 정밀도를 갖는 확장 가능한 양자 광학 회로를 실현한다.

ABSTRACT

While experiments with one or two quantum emitters have become routine in various laboratories, scalable platforms for efficient optical coupling of many quantum systems remain elusive. To address this issue, we report on chip-based systems made of one-dimensional subwavelength dielectric waveguides (nanoguides) and polycyclic aromatic hydrocarbon molecules. After discussing the design and fabrication requirements, we present data on coherent linear and nonlinear spectroscopy of single molecules coupled to a nanoguide mode. Our results show that external microelectrodes as well as optical beams can be used to switch the propagation of light in a nanoguide via the Stark effect and a nonlinear optical process, respectively. The presented nanoguide architecture paves the way for the investigation of many-body phenomena and polaritonic states and can be readily extended to more complex geometries for the realization of quantum integrated photonic circuits.

연구 동기 및 목표

• 나노가이드와 단일 분자를 이용한 다수의 양자 발광체에 대한 효율적인 칩 내 광학 결합을 위한 확장 가능한 칩 내 플랫폼 개발.
• 기존의 양자 광학 시스템에서의 낮은 결합 효율성과 확장성 문제 해결.
• 외부 전기장 및 광장에 의한 개별 양자 발광체에 대한 정밀 제어 가능화.
• 통합 광학 회로 아키텍처에서 펄서리온 상태 및 다체 양자 현상 실현 가능성 탐구.
• 피드백 구조 및 향후 양자 회로 구성 요소와 호환되는 칩 통합 시스템 구현.

제안 방법

• 티타니아(티옥사이드, TiO₂) 또는 퓌즈드 실리카로 구성된 1차원의 서브파장 유전체 나노가이드를 제작하였으며, 주행 매트릭스에 다이벤조테르레렌(DBT)과 같은 다환화합물(PAH) 분자를 포함시켰다.
• 분자 전이 주파수 조절을 위한 조절 가능한 일정 전압 전기장을 제공하기 위해 칩에 인듐스티브옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO) 마이크로전극을 통합하였다.
• 나노가이드 모드와 PAH 분자 간의 응집장 상호작용을 통해 강한 빛-물질 상호작용을 구현하였다.
• 변동 가능한 이격 조건에서 약한 탐지 빛과 강한 펌프 빛을 조사하여 선형 및 비선형 분광 측정을 수행하였다.
• 측정에서 펌프 및 탐지 빛을 공간적으로 분리하기 위해 측면 조명 기하구조를 사용하여 비선형 효과의 명확한 관찰 가능하게 하였다.
• 전송 스펙트럼을 계산하고 정규화하여 직접적인 펌프 산산이 아닌 공명 탐지 증폭을 분리하였으며, 수 시간 동안 <0.2Γ₀ 이하의 스펙트럼 확산를 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노가이드에 결합된 단일 분자는 칩 내 마이크로전극를 통한 외부 전기장에 의해 제어 가능한가?
• RQ2 분자 상태의 비선형 드레싱을 통한 광학 제어는 나노가이드 내 빛의 전파를 스위칭할 수 있는가?
• RQ3 비선형 광학 제어 필드를 사용할 경우 탐지 빛의 최대 공명 증폭 또는 완전성 감소는 얼마인가?
• RQ4 분자 공진 주파수는 시간이 지남에 따라 얼마나 안정한가? 그리고 스펙트럼 확산은 제어 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 칩 기반 나노가이드 아키텍처는 다수의 양자 발광체를 다체 양자 광학을 위한 확장 가능한 통합을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 나노가이드 플랫폼은 칩 내 마이크로전극를 통한 전기장에 의한 스타크 효과를 활용하여 단일 분자의 선형 제어를 가능하게 하며, 분자 전이 주파수의 조절이 가능하다.
• 강한 펌프 빛을 이용한 비선형 광학 제어는 탐지 빛의 공명 증폭을 유도하며, 최대 0.3%의 순 신호 증폭을 달성하였다.
• 최적의 펌프-탐지 이격 조건에서 탐지 빛의 완전성 감소가 최대 7% 관측되었으며, 강력한 스위칭 능력을 입증하였다.
• 전송 맵은 탐지 빛의 감쇠 영역과 증폭 영역을 모두 보여주었으며, 후자의 주요 원인은 펌프 빛의 공명 산산이었다.
• 스펙트럼 안정성이 수 시간 동안 유지되었으며, 스펙트럼 확산이 0.2Γ₀ 이하로 낮아 재현 가능한 측정이 가능하였다.
• 분해능이 회절 한계 수준인 공간 선택적 스위칭과 최대 수백 MHz의 조절 속도를 지원하여 양자 정보 처리에 적합하다.