[논문 리뷰] Time-resolved spectroscopy with entangled photons

Dmitry Kalashnikov, Elizaveta Melik-Gaykazyan외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 08.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques참고 문헌 27인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 연일된 광자들을 사용하는 새로운 시간해상도 분광법 기술을 제안하며, 물질 내 계면 릴랙세이션 시간을 펌토세컨드 수준으로 측정할 수 있다. 샘플을 홍-오우-만 간섭계에 삽입함으로써, 이중광자 간섭 무늬로부터 릴랙세이션 동역학을 추출하는 방법으로, 군속도 분산 보정이 필요 없고 샘플 손상의 위험도 없이 연속광원 레이저와 단일광자 검출기만으로도 100 fs 이하의 해상도를 달성한다.

ABSTRACT

Interaction of light with media often occurs with a femtosecond response time. Its measurement by conventional techniques requires the use of femtosecond lasers and sophisticated time-gated optical detection1-3. Here we demonstrate that by exploiting quantum interference of entangled photons it is possible to measure the phase relaxation time of a media on the femtosecond time scale (down to 100 fs) using accessible continuous wave laser and single-photon counting. We insert the sample in the Hong-Ou-Mandel interferometer4 and infer the phase relaxation time from the modification of the two-photon interference pattern. In addition to its simplicity and ease of use, the technique does not require compensation of group velocity dispersion5-8 and does not induce photo-damage of the samples. This technique will be useful for characterization of ultrafast phase relaxation processes in material science, chemistry, and biology.

연구 동기 및 목표

• 물질 내 초고속 계면 릴랙세이션 과정을 측정하기 위한 단순화된 방법을 개발하기 위해.
• 복잡한 레이저 시스템과 시간에 따라 감지되는 검출이 필요한 전통적인 펌토세컨드 분광법의 한계를 극복하기 위해.
• 연일된 광자 간의 양자 간섭을 이용해 군속도 분산 보정 없이 시간 동역학을 추출하기 위해.
• 연속광원 레이저와 단일광자 카운팅을 사용해 낮은 노이즈, 손상 없는 측정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 실험은 연일된 광자 쌍으로부터 이중광자 간섭을 생성하기 위해 홍-오우-만 간섭계를 사용한다.
• 샘플을 간섭계의 한 지름에 삽입함으로써 계면 릴랙세이션 효과로 인해 이중광자 간섭 무늬가 변화한다.
• 경로 지연에 따른 간섭 곡선의 가시도와 형태를 통해 릴랙세이션 시간을 유추한다.
• 이 기술은 서로 구분할 수 없는 광자 간의 양자 간섭에 기반하며, 간섭의 정도는 샘플의 위상 일관성 시간을 반영한다.
• 연속광원 레이저를 사용해 자발적 비선형 주파수 분할을 통해 연일된 광자를 생성한다.
• 단일광자 검출기가 이중광자 공시계수를 기록하여 간섭 무늬를 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초단파동 레이저 펄스 없이 연일된 광자를 사용해 펌토세컨드 수준의 계면 릴랙세이션 시간을 측정할 수 있는가?
• RQ2 홍-오우-만 설정에서의 이중광자 간섭 가시도는 샘플의 위상 특성과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 이 방법이 연속광원 레이저와 단일광자 검출기만으로도 100 fs 이하의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 이 기술은 군속도 분산 보정이 얼마나 줄어들 수 있는가?
• RQ5 낮은 평균 광학 세기로 인해 광감도성이 높은 취약한 샘플을 연구하는 데 적합한가?

주요 결과

• 이 방법은 물질 내 계면 릴랙세이션을 측정하는 데 최대 100 fs의 시간 해상도를 달성한다.
• 홍-오우-만 설정에서의 이중광자 간섭 곡선의 곡선에서 릴랙세이션 시간이 성공적으로 회복되었다.
• 이 기술은 연속광원 레이저와 단일광자 카운팅을 사용하여 복잡한 펌토세컨드 레이저 시스템이 필요 없음을 입증한다.
• 군속도 분산 보정이 필요 없었으며, 실험 설정이 단순화되었다.
• 낮은 평균 광학 세기로 인해 샘플의 광손상이 방지되었다.
• 결과는 원리 검증 실험을 통해 검증되었으며, 2017년에 Scientific Reports에 게재되었으며, DOI: 10.1038/s41598-017-11694-z.