[논문 리뷰] Stokes--anti-Stokes Correlations in Raman Scattering from Diamond Membranes

Mark Kasperczyk, Ado Jório외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 02.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다이아몬드 막에서 라만 산란에 의한 스토크스-반스토크 광자 상관관계를 조사하며, 저강도 레이저 조건에서 스토크스 유도 반스토크(SaS) 산란이 지배적이며, 강한 양자 상관관계를 유도함을 보여준다. 이중 차수의 교차상관관계 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$는 $1/P_{\rm L}$에 비례하여 감소하며, 매우 비고전적인 초집합과 다이아몬드 내에서의 진동자 매개 양자 메모리 메커니즘을 확인한다.

ABSTRACT

We investigate the arrival statistics of Stokes (S) and anti-Stokes (aS) Raman photons generated in diamond membranes. Strong quantum correlations between the S and aS signals are observed, which implies that the two processes share the same phonon, that is, the phonon excited by the S process is consumed in the aS process. We show that the intensity cross-correlation $g_{ m S,aS}^{(2)}(0)$, which describes the simultaneous detection of Stokes and anti-Stokes photons, decreases steadily with laser power as $1/{ m P_L}$. Contrary to many other material systems, diamond exhibits a maximum $g_{ m S,aS}^{(2)}(0)$ at very low pump powers, implying that the Stokes-induced aS photons outnumber the thermally generated aS photons. On the other hand, the coincidence rate shows a quadratic plus cubic power dependence, which indicates a departure from the Stokes-induced anti-Stokes process.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 막에서 스토크스 및 반스토크 라만 광자 간의 양자 상관관계를 조사하기 위해.
• 스토크스 유도 반스토크(SaS) 산란이 열적으로 생성된 반스토크 과정보다 지배적인 조건을 규명하기 위해.
• 두 번째 차수 강도 교차상관관계 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 의 전력 의존성을 정량화하여 비고전적 광자 쌍 생성을 식별하기 위해.
• 진동자 매개 과정이 다이아몬드에서의 양자 메모리 및 경고 단일 광자 소스를 가능하게 하는 역할을 평가하기 위해.
• 샘플 두께와 레이저 펄스 반복 주기의 상관관계 시야도 및 배경 억제에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 785 nm 레이저 조사와 130 fs 펄스, 76 MHz 반복 주기를 사용하여 50 μm 두께의 자유진동 다이아몬드 막에서 스토크스 및 반스토크 라만 신호를 측정한다.
• 스펙트럼 선 피팅을 통해 평균 레이저 전력 $P_{\rm L}$ 에 따른 스토크스 및 반스토크 신호 강도를 추출한다.
• 영점 시간 지연에서의 동시성 수치를 기반으로, 임의의 동시성에 의해 정규화된 제2차 강도 교차상관관계 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 를 계산한다.
• 다중 펄스 상관관계를 고려하기 위해 2차 및 3차 항을 포함한 동시성 수율의 전력 의존성을 모델링한다.
• 시간 해상도 동시성 히스토그램을 분석하여 펄스 내($\Delta t = 0$) 및 펄스 간($\Delta t \neq 0$) 기여를 분리한다.
• 영점 동시성 피크와 비영점 동시성 피크의 비율을 사용하여 $P_{\rm L}^{-1}$ 의 의존성을 유도함으로써, 진동자 매개 상관관계를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 막에서 제2차 교차상관관계 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 는 레이저 펌프 전력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 낮은 조사 전력 조건에서 열적으로 생성된 반스토크 광자와 스토크스 유도 반스토크 광자 간의 기여 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 가 $1/P_{\rm L}$ 에 따라 감소하는 이유는 무엇이며, 이는 펄스 간 상관관계와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 펄스 간 상관관계는 영점에서의 진짜 양자 상관관계 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 다이아몬드 막을 어떻게 설계하여 양자 메모리 및 단일 광자 소스 응용을 위해 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 을 최대화할 수 있는가?

주요 결과

• 스토크스 신호는 레이저 전력에 대해 선형적 의존성을 보이며, 자발적 라만 산란 거동을 확인한다.
• 반스토크 신호는 저강도 영역에서 선형 전력 의존성(열 진동자에 의해 지배됨)을 보이며, 고강도 영역에서 2차 전력 의존성(스토크스 유도 반스토크 산란의 징후)을 보인다.
• 제2차 교차상관관계 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 는 $1/P_{\rm L}$ 에 비례하여 감소하며, 고전적 경계를 위반하는 강한 비고전적 상관관계를 나타낸다.
• 매우 낮은 펌프 전력에서 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 는 최대에 도달하며, 이는 스토크스 유도 반스토크 광자가 열적으로 생성된 것보다 더 많음을 확인한다.
• 동시성 수율은 2차 및 3차 전력 의존성을 보이며, $P_{\rm L}$ 에 비례하는 펄스 간 상관관계 기여를 드러낸다.
• 더 얇은 다이아몬드 막은 펄스 간 상관관계 피크를 펄스 내 피크보다 더 크게 감소시켜, 고전적 한계인 2를 초월한 $g_{\rm S,aS}^{(2)}(0)$ 를 향상시킨다.