[論文レビュー] Time-resolved spectroscopy with entangled photons

Dmitry Kalashnikov, Elizaveta Melik-Gaykazyan+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2016

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 27被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、もつれ光子を用いた新しい時間分解分光法を提案しており、材料内の位相緩和時間のフェムト秒スケール測定を可能にする。サンプルをホン＝オウ＝マーテル干渉計に挿入することで、二光子干渉パターンから緩和ダイナミクスを抽出し、群速度分散の補償を必要とせず、サンプル損傷のリスクも回避しながら、連続波レーザーと単一光子検出器のみを用いて100 fs未満の分解能を達成する。

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.

研究の動機と目的

• 材料内の超高速位相緩和過程を測定する簡素化された手法の開発。
• 複雑なレーザーシステムと時間同期検出を必要とする従来のフェムト秒分光法の制限を克服すること。
• もつれ光子の量子干渉を活用し、群速度分散の補償なしに時間的ダイナミクスを抽出すること。
• 連続波レーザーと単一光子カウントを用いて、低雑音で損傷のない測定を可能にすること。

提案手法

• 実験では、ホン＝オウ＝マーテル干渉計を用いてもつれ光子対からの二光子干渉を生成する。
• サンプルを干渉計の一方の腕に挿入し、位相緩和効果により二光子干渉パターンが変化する。
• 経路遅延関数としての干渉谷の可視度と形状から、位相緩和時間を推定する。
• この技術は、区別不能な光子間の量子干渉に依存しており、干渉の度合いがサンプルのコherenct時間を反映する。
• 連続波レーザーを用いて、自己非線形効果による周波数変換でもつれ光子を生成する。
• 単一光子検出器が二光子同時計数を記録し、干渉パターンを再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超短パルスを用いずにもつれ光子を用いてフェムト秒スケールの位相緩和時間を測定可能か？
• RQ2 ホン＝オウ＝マーテル設定における二光子干渉可視度は、サンプルのコherenct特性にどのように依存するか？
• RQ3 連続波レーザーと単一光子検出器のみを用いて、100 fs未満の時間分解能を達成可能か？
• RQ4 この手法は、群速度分散補償の必要性をどの程度低減できるか？
• RQ5 低平均光強度のため、光感受性または壊れやすいサンプルの研究に適しているか？

主な発見

• 本手法は、材料内の位相緩和を測定する際、100 fsまでの時間分解能を達成した。
• ホン＝オウ＝マーテル構成における二光子干渉谷から、位相緩和時間が正常に回復された。
• 本手法は連続波レーザーと単一光子カウントを用いており、複雑なフェムト秒レーザーシステムの必要性を排除した。
• 群速度分散の補償は不要であり、実験装置の簡素化に寄与した。
• 低平均光強度のため、サンプルへの光ダメージを回避した。
• 結果は概念実証実験で検証され、2017年にScientific Reportsに掲載（DOI: 10.1038/s41598-017-11694-z）。