[논문 리뷰] Optical Analogue of the Dynamical Casimir Effect in a Dispersion-Oscillating Fibre

Stefano Vezzoli, Arnaud Mussot외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 10.

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect참고 문헌 28인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 분산-진동 광자 결정 섬유에서 다이내믹 Casimir 효과의 광학적 유사체를 보여주며 Kerr 비선형성으로 vacuum-origin 포톤 쌍을 나타내고 비고전적 상관관계를 확인한다.

ABSTRACT

The dynamical Casimir effect is the generation of pairs of real particles or photons from the vacuum as a result of a non-adiabatic change of a system parameter or boundary condition. As opposed to standard parametric amplification where the modulation occurs both in space and in time, this fundamental process requires a pure modulation in time, which makes its detection particularly challenging at optical frequencies. In this paper we experimentally demonstrate a realisation of the optical analogue of the mechanical dynamical Casimir effect in the near-infrared optical regime in a dispersion-oscillating photonic crystal fibre. The experiments are based on the equivalence of the spatial modulation of the fibre core diameter to a pure temporal modulation when this is considered in the co-moving frame of the travelling pump pulse. We provide evidence of optical dynamical Casimir effect by measuring quantum correlations between the spectrally resolved photon pairs. The non-classical nature of the measured light is supported by evidence of anti-bunching photon statistics.

연구 동기 및 목표

• 분산-진동 광섬유(DOF)를 사용하여 다이내믹 Casimir 효과(DCE)의 광학적 유사체를 동기부여하고 실현한다.
• 펌프 펄스의 동행 프레임에서 공간적 코어 지름 모듈레이션이 시간적 변조로 어떻게 매핑되는지 설명한다.
• 스펙트럼으로 해상된 포톤 쌍 간의 양자 상관을 측정하여 DCE의 증거를 제공한다.
• 반집합성 통계와 heralded g(2)(0) 측정을 통해 비고전광을 시연한다.

제안 방법

• 동행 프레임에서 χ(3)|E|^2에 비례하는 시간적으로 변조된 굴절율을 갖는 분산 매질에서 DCE 조건을 모델링한다.
• 실험실 프레임에서 DCE 주파수 조건을 |Δω−v_g k| = mK/2 + v_g k_0로 도출하고, 에너지 보존으로 대칭적 ±Δω를 암시하는 형태로 β2Δω^2 + (1/12)β4Δω^4 = mK로 단순화한다.
• 주기적 GVD 변조를 가진 dispersion-oscillating fiber와 짧은 펌프 펄스(600 ps)를 사용하여 효과를 유도한다.
• 예측 파장 주변의 시그널과 아이들 포톤을 필터링하고 분광 해상하며(예: 954 nm 및 1173 nm) SPAD로 동시성(coincidences)을 측정한다.
• CAR(coincidence-to-accidental ratio)와 heralded g(2)(0) 측정을 통해 비고전성을 정량화하고 라만 배경을 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DCE와 유사한 포톤 쌍 생성이 짧은 펌프 펄스의 동행 프레임으로 구현된 시간적 변조를 통해 광학 매질에서 실현될 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼으로 해상된 시그널-아이들 포톤 쌍이 vacuum-seeded DCE에 일치하는 비고전적 상관를 보이는가?
• RQ3 분산 특성(β2, β4)과 섬유 변조가 DCE 방출 주파수를 어떻게 결정하는가?
• RQ4 관찰된 빛이 반-연집적이며 CAR>1일 때 g(2)(0)도 1 미만으로 떨어져 비고전적 방출을 나타내는가?

주요 결과

• DCE 조건에 의해 예측된 파장에 포톤 쌍이 방출되며, 제로 지연에서 Ns,i(0) 피크가 명확한 양자 상관으로 입증된다.
• DCE에서 도출된 조건을 만족하는 파장 쌍에서 CAR가 여전히 유의하며, 그렇지 않으면 감소한다.
• 선택된 펌프 매개변수 하에서 λs=954 nm 및 λi=1173 nm에서 CAR(~5)와 가장 높은 카운트를 얻는다.
• CAR > 1일 때 g(2)(0) < 1이 관측되어 heralded 방출의 비고전성을 나타낸다.
• 유한한 라만 배경이 반영되어 DCE 포톤 쌍이 펌프 펄스당 약 2×10^-3 수준으로 추정되며 (P_p=0.03 W일 때) 라만 포톤은 약 0.18에 비한다.
• 결과는 DCE에서 도출된 스펙트럼 예측 및 파라메트릭 증폭에서의 준-위상 맞춤 직관과 일치한다.