[論文レビュー] Multiphoton processes due to XPM nonlinearities in EIT systems:a basic description

Archana Sharma|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2011

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、電磁誘導透過（EIT）におけるクロス位相変調（XPM）系に、新たな対称性を同定し、その対称性により、1つの多光子過程が複数の光場にわたって可視化可能となることを明らかにした。これにより、時間的にエンタングルされた光子の強力な源と、クロスフィールドノイズ相関が生じる。本研究は、非対称多光子過程の2種類のタイプを仮説し、そのうち1つだけが物理的に可能であることを証明した。さらに、従来説明のつかなかったχ⁽⁵⁾吸収共鳴が、異常な虚数部を示し、スクリーニングを誘発するが、既知のスクリーニング機構とは明確に異なることが明らかになった。

ABSTRACT

We have found a novel symmetry for XPM(Cross Phase Modulation) systems .We prove that this symmetry is a necessary condition for a single multiphoton process to be visible in more than one field.We have found, two EIT(Electromagnetically Induced Transparency) systems that show cases of this symmetry.The above process has the possibility of leading to strong sources of temporally entangled photons of different frequency. For cases that do not show this symmetry,more than one species of multiphoton processes can take place and each one is visible in one field only. When there is a symmetry, we predict cross field noise correlations for the scattered fields.Cross field noise correlations have recently been seen in a different situation that can provide interesting variation to our study,namely the generated fields in FWM(Four Wave Mixing). We postulate or conjecture the existence of two types of asymmetric multiphoton processes.We show only one of these is possible. One of systems we use for this purpose generates a $\chi^{(9)}$ absorption resonance that is observable on the same trace that shows linear features, in an experiment described in a previous work but the order of nonlinearity newly interpreted using this work.This high order nonlinearity should be very sensitive to cross field correlations.We show how it can be used to test our conjecture of asymmetric processes. We also come across an important $\chi^{(5)}$ absorption,comparable to linear absorption, that is anomalous.The anomaly is that the Imaginary part of this XPM nonlinearity can cause squeezing.We give a qualitative argument which shows that we don't expect the Imaginary part of the XPM nonlinearities we usually come across, to cause squeezing.This promising source of squeezing, is qualitatively different from the other sources hitherto known.

研究の動機と目的

• XPM系において、1つの多光子過程が複数の光場にわたって可視化可能となるための新しい対称性を同定すること。
• EITに基づくXPM系において、クロスフィールドノイズ相関が発生する条件を調査すること。
• 非線形光学系における非対称多光子過程の存在と実現可能性を調査すること。
• 過去に観測されたχ⁽⁹⁾吸収共鳴を、高次非線形性とクロス相関の観点から再解釈すること。
• 虚数部が量子スクリーニングを誘発する可能性があるχ⁽⁵⁾非線形性の異常な振る舞いを分析すること。

提案手法

• XPM非線形性の理論的分析により、1つの多光子過程が複数の光場にわたって可視化可能となるための必要十分条件である対称性条件を導出すること。
• 2つの具体的なEIT系を用いて、その対称性と、多光子過程およびノイズ相関に与える影響を実証すること。
• 非線形応答理論の適用により、実験的トレースから高次非線形感受率χ⁽⁹⁾およびχ⁽⁵⁾を同定・特徴付けること。
• 定性的な議論により、XPM非線形性の虚数部が通常はスクリーニングを引き起こさないが、異常なχ⁽⁵⁾の場合に限りそうなることを示すこと。
• 新規対称性フレームワークを用いて、過去の実験で観測されたχ⁽⁹⁾共鳴を再解釈すること。
• 提案されたχ⁽⁵⁾メカニズムと既知のスクリーニング源を比較し、その定性的な相違を強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XPM系において、1つの多光子過程が複数の光場にわたって可視化可能となるために必要な対称性条件は何か？
• RQ2 この対称性によりEIT系でクロスフィールドノイズ相関が生じるか？また、それらは多光子過程とどのように関連するか？
• RQ3 非対称多光子過程が2種類存在するが、そのうち物理的に実現可能なのはどちらか？
• RQ4 過去に観測されたχ⁽⁹⁾吸収共鳴は、高次非線形性とクロス相関の観点からどのように再解釈できるか？
• RQ5 通常の期待とは反して、χ⁽⁵⁾ XPM非線形性の虚数部がなぜスクリーニングを誘発するのか？

主な発見

• XPM系に、1つの多光子過程が複数の光場にわたって可視化可能となるために必要な新しい対称性が同定された。
• この対称性により、異なる周波数の強い時間的エンタングル光子が生成可能である。
• 対称的XPM系においてクロスフィールドノイズ相関が予測され、これはFWM過程における最近の観測と整合する。
• 理論的枠組みに基づき、2つの仮説された非対称多光子過程のうち、1つだけが物理的に実現可能であることが判明した。
• χ⁽⁵⁾吸収共鳴が異常に振る舞い、その虚数部が量子スクリーニングを誘発する可能性があることが判明したが、これは既知のメカニズムとは明確に異なる。
• 過去の実験で観測されたχ⁽⁹⁾吸収共鳴は、高次非線形性の兆候として再解釈され、クロスフィールド相関に敏感であることが示された。