[논문 리뷰] Coalescence and anti-coalescence of surface plasmons on a lossy beamsplitter

Benjamin Vest, Marie-Christine Dheur외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 24.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 손실이 있는 플라스모닉 비스플리터에서 자유롭게 전파되는 두 개의 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs) 간의 양자 간섭을 실험적으로 입증하며, 제어 가능한 손실에 의해 유도된 공명(공진)과 반공진(반공진) 현상을 관찰한다. 저자들은 비스플리터의 반사 및 투과 계수를 설계하여 손실이 새로운 양자 간섭 시나리오를 가능하게 함으로써, 양자 정보 응용 분야에서 잠재력을 지닌 손실이 있는 플라스모닉 시스템으로 양자광학 현상을 확장함을 보여준다.

ABSTRACT

Surface plasma waves are collective oscillations of electrons that propagate along a metal-dielectric interface. In the last ten years, several groups have reproduced fundamental quantum optics experiments with surface plasmons. Observation of single-plasmon states, waveparticle duality, preservation of entanglement of photons in plasmon-assisted transmission, and more recently, two-plasmon interference have been reported. While losses are detrimental for the observation of squeezed states, they can be seen as a new degree of freedom in the design of plasmonic devices, thus revealing new quantum interference scenarios. Here we report the observation of two-plasmon quantum interference between two freely-propagating, non-guided SPPs interfering on lossy plasmonic beamsplitters. As discussed in the article "Quantum optics of lossy beam splitters" by Barnett et al. (Phys. Rev. A 57, 2134 (1998)) , the presence of losses (scattering or absorption) relaxes constraints on the reflection and transmission factors of the beamsplitter, allowing the control of their relative phase. By using this degree of freedom, we are able to observe either coalescence or anticoalescence of identical plasmons.

연구 동기 및 목표

• 손실이 있는 플라스모닉 비스플리터에서 두 동일한 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs) 간의 양자 간섭 효과를 조사하는 것.
• 비스플리터의 손실이 반사 및 투과 진폭 간의 상대 위상에 미치는 영향을 분석하고, 이를 간섭 결과를 제어하는 데 활용할 수 있는가를 탐색하는 것.
• 플라스모닉 버전의 홍-오우-마델(Hong-Ou-Mandel) 실험에서 공진(HOM 다우트)과 반공진(HOM 피크)을 모두 실험적으로 관측하는 것.
• 비스플리터 자체가 손실이 있을 경우에도 양자 효과, 특히 두 입자 간섭이 유지되는지 검증하는 것. 이는 이전의 실험들과는 달리 비스플리터가 비손실적이라는 전제를 깨는 것이다.

제안 방법

• 유형-II 자발적 주파수 분할 변환(SPDC) 소스가 806 nm에서 주파수가 동일하고 수직으로 편광된 광자 쌍을 생성한다.
• 광자는 편광 비스플리터를 통해 분리되고 단일 모드 섬유에 커플링된 후, 실리카 기판 위의 300 nm 금박에서 그레이팅 커플러를 통해 SPPs로 변환된다.
• 모터 제어 이동 스테이지가 두 SPP 경로 간에 가변 지연 δHOM을 도입하여 간섭의 가시도를 스캔한다.
• 집속 이온 빔 연마를 통해 반사 및 투과 계수를 조절할 수 있는 플라스모닉 비스플리터를 제작하였으며, 기하학적 매개변수(균열 너비 w, 간격 g, 높이 h)가 광학적 반응을 제어한다.
• SPPs는 비스플리터에서 재결합된 후 큰 슬릿을 통해 다시 광자로 변환되며, 단일 광자 카운팅 모듈(SPCMs)로 감지된다.
• 10 ns 시간 해상도를 가진 PXIe-1073 FPGA 기반 시스템을 사용하여 SPCMs 간의 동시 발생 카운트를 기록하여 간섭 무늬를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유롭게 전파되는 비가이드된 표면 플라즈몬 폴리톤 두 개가 손실이 있는 비스플리터에서 양자 간섭을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 비스플리터의 손실이 반사 및 투과 진폭 간의 상대 위상에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 간섭 결과를 제어하는 데 활용할 수 있는가?
• RQ3 손실이 있는 구성 요소를 가진 플라스모닉 시스템에서 공진(HOM 다우트)과 반공진(HOM 피크)을 모두 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ4 비스플리터의 손실이 반사 및 투과 계수에 대한 제약 조건을 얼마나 완화시키며, 새로운 양자 간섭 시나리오를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 비스플리터의 반사 및 투과 계수가 균형을 이루었을 때, 동시 발생 카운트에서 홍-오우-마델(HOM) 다우트가 관측되어 플라즈몬의 공진이 확인되었다.
• 특정 비스플리터 설계에서 동시 발생 카운트에서 HOM 피크가 관측되어, 손실이 있는 경로 진폭 간의 간섭성 파괴로 인한 반공진이 발생했음을 시사한다.
• 기하학적 매개변수(w, g, h)를 조절하여 비스플리터의 특성을 변화시킴으로써 공진과 반공진 간의 전이가 가능했으며, 이는 반사 및 투과 진폭 간의 상대 위상을 제어하는 데 기여했다.
• 실험 결과는 비스플리터가 손실이 있을 경우에도 양자 간섭 효과, 특히 두 입자 간섭이 관측 가능하다는 것을 확인하였으며, 이는 손실이 항상 양자 효과를 떨어뜨린다는 전제를 도전한다.
• 본 연구는 플라스모닉 구성 요소의 손실이 새로운 양자 간섭 현상을 설계 가능한 매개변수로 활용될 수 있음을 입증하였으며, 반공진과 같은 새로운 현상을 엔지니어링할 수 있음을 보여준다.
• 측정된 시간 해상도 10 ns 덕분에 명확한 간섭 무늬 관측이 가능했으며, 동시 발생 카운팅을 통해 가시도를 추출하고 HOM 다우트와 피크 서명을 구분할 수 있었다.