[論文レビュー] Second-order quantum nonlinear optical processes in graphene nanostructures

Marco T. Manzoni, Iván Silveiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、密着したプラズモンと空間的に非局所的な非線形性を活用することで、グラフェンナノ構造を用いて強力な二次非線形光学過程を実現することを提案する。量子化されたプラズモン間における極めて強い内部下変換および二次高調波発生が、アレイにおける集団的結合または単一ナノ構造の結合によって単一光子レベルで観測可能であることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 三次非線形効果と比較してほとんど無視されてきた二次非線形効果を強力に実現することで、非線形光学の未開拓分野を探索すること。
• 自由空間への放射結合が弱いにもかかわらず、量子プラズモニック系において強力な内部非線形性を実現する挑戦に応えること。
• ナノ構造アレイにおける集団的結合または単一ナノ構造の結合を通じて、これらの非線形性の観測可能な兆候を示すこと。

提案手法

• 非線形相互作用に不可欠な強力な1光子あたりの場を生み出すために、密着したグラフェンプラズモンを用いる。
• 設計されたグラフェンナノ構造における空間的に非局所的な非線形光学的相互作用を活用し、非線形応答を強化する。
• 単一の量子化プラズモンとエンタングルドプラズモン対の間で極めて強い内部下変換を実現するようにナノ構造を設計する。
• 同じ系で二次高調波発生を逆転して効率的に実現する。
• ナノ構造アレイの集団的結合を用いて、低入力パワーでも非線形効果を効率的に放射する。
• 単一ナノ構造の結合を追求することで、単一光子入力レベルでの非線形プロセスを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由空間への放射結合が弱いにもかかわらず、グラフェンナノ構造で二次非線形光学過程を内部非線形性が強く発現可能か？
• RQ2 実際の応用において、グラフェンプラズモニック系の内部非線形性はどのようにして観測可能になるか？
• RQ3 空間的非局所性は、グラフェンナノ構造における二次非線形効果の強化にどのような役割を果たすか？
• RQ4 グラフェンナノ構造アレイの集団的結合を用いることで、極めて低い入力パワーでも効率的な周波数変換が達成可能か？
• RQ5 個々のグラフェンナノ構造で単一光子レベルの非線形プロセスを観測することは現実可能か？

主な発見

• グラフェンナノ構造における二次非線形性により、単一の量子化プラズモンとエンタングルドプラズモン対の間で極めて強い内部下変換が可能になる。
• 逆過程である二次高調波発生も、同じ系で効率的に実現可能である。
• グラフェンナノ構造アレイにおける集団的結合により、内部非線形性が極めて低い入力パワーで放射場の効率的周波数変換として現れる。
• 単一ナノ構造の結合は、単一光子入力レベルでのこれらの非線形プロセスの観測への道筋を提供する。
• グラフェンプラズモンにおける強力な1光子あたりの場と空間的非局所性の組み合わせにより、類稀な非線形応答強度が実現可能になる。