[논문 리뷰] Second-order quantum nonlinear optical processes in graphene nanostructures

Marco T. Manzoni, Iván Silveiro외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 17.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 밀도 높은 집중된 플라즈몬과 공간적으로 국소적이지 않은 비선형성을 활용하여 그래핀 나노구조를 통해 강한 이阶 비선형 광학 과정을 달성하는 것을 제안한다. 양자화된 플라즈몬 간의 극도로 강한 내부 다운컨버전 및 제2 harmonic 생성을 입증하였으며, 이는 배열 내 집합적 결합 또는 단일 나노구조 간의 결합을 통해 단일 광자 수준에서 관측 가능한 효과를 나타낸다.

ABSTRACT

Intense efforts have been made in recent years to realize nonlinear optical interactions at the single-photon level. Much of this work has focused on achieving strong third-order nonlinearities, such as by using single atoms or other quantum emitters while the possibility of achieving strong second-order nonlinearities remains unexplored. Here, we describe a novel technique to realize such nonlinearities using graphene, exploiting the strong per-photon fields associated with tightly confined graphene plasmons in combination with spatially nonlocal nonlinear optical interactions. We show that in properly designed graphene nanostructures, these conditions enable extremely strong internal down-conversion between a single quantized plasmon and an entangled plasmon pair, or the reverse process of second harmonic generation. A separate issue is how such strong internal nonlinearities can be observed, given the nominally weak coupling between these plasmon resonances and free-space radiative fields. On one hand, by using the collective coupling to radiation of nanostructure arrays, we show that the internal nonlinearities can manifest themselves as efficient frequency conversion of radiative fields at extremely low input powers. On the other hand, the development of techniques to efficiently couple to single nanostructures would allow these nonlinear processes to occur at the level of single input photons.

연구 동기 및 목표

• 제3차 효과에 비해 거의 간과되어 온 강한 이阶 비선형성을 달성함으로써 비선형 광학의 미개척 영역을 탐색한다.
• 자유공간 복사와의 약한 결합에도 불구하고 양자 플라즈모닉 시스템에서 강한 내부 비선형성을 실현하는 데 도전한다.
• 나노구조 배열의 집합적 결합 또는 단일 나노구조 간의 결합을 통해 이러한 비선형성의 관측 가능한 표현을 제시한다.

제안 방법

• 강한 광자당 필드를 비선형 상호작용에 필수적으로 만들기 위해 밀도 높은 집중된 그래핀 플라즈몬을 활용한다.
• 설계된 그래핀 나노구조에서 공간적으로 국소적이지 않은 비선형 광학 상호작용을 활용하여 비선형 반응을 향상시킨다.
• 단일 양자화된 플라즈몬과 얽힌 플라즈몬 쌍 간의 극도로 강한 내부 다운컨버전을 가능하게 하기 위해 나노구조를 설계한다.
• 동일한 시스템에서 제2 harmonic 생성을 반대로 수행한다.
• 낮은 입력 전력에서도 비선형 효과를 효율적으로 복사하기 위해 나노구조 배열의 집합적 결합을 활용한다.
• 단일 나노구조 간의 결합을 통해 단일 광자 입력 수준에서 비선형 과정을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 복사 결합에도 불구하고 그래핀 나노구조에서 강한 내부 비선형성을 가진 이阶 비선형 광학 과정을 실현할 수 있는가?
• RQ2 실제로 그래핀 플라즈모닉 시스템의 내부 비선형성은 어떻게 관측 가능한가?
• RQ3 공간적 비국소성은 그래핀 나노구조에서 이阶 비선형 효과를 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 그래핀 나노구조 배열의 집합적 결합을 통해 극도로 낮은 입력 전력에서도 효율적인 주파수 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ5 개별 그래핀 나노구조에서 단일 광자 수준의 비선형 과정을 관측하는 것은 가능한가?

주요 결과

• 그래핀 나노구조에서의 이阶 비선형성은 단일 양자화된 플라즈몬과 얽힌 플라즈몬 쌍 간의 극도로 강한 내부 다운컨버전을 가능하게 한다.
• 역과정인 제2 harmonic 생성도 동일한 시스템에서 효율적으로 실현될 수 있다.
• 그래핀 나노구조 배열의 집합적 결합은 극도로 낮은 입력 전력에서도 복사 필드의 효율적 주파수 변환으로서 내부 비선형성을 나타내도록 한다.
• 단일 나노구조 간의 결합은 이러한 비선형 과정을 단일 광자 입력 수준에서 관측할 수 있는 길을 열어준다.
• 그래핀 플라즈몬에서의 강한 광자당 필드와 공간적 비국소성의 조합은 예상할 수 없을 정도로 높은 비선형 반응 강도를 가능하게 한다.