[论文解读] Atomic metasurfaces for manipulation of single photons

Ming Zhou, Jingfeng Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 47被引用 6

一句话总结

本文提出基于两能级系统（TLSs）的原子超表面，用于单光子调控，利用量子散射理论实现可动态调谐的单光子导引与定向辐射。该方法采用三层Λ型原子阵列，实现无损耗、亚波长尺度的光子发射与传播控制，展示了传统光学谐振器无法实现的功能。

ABSTRACT

Metasurfaces are an emerging platform for manipulating light on a two-dimensional plane. Existing metasurfaces comprise arrays of optical resonators such as plasmonic antennas or high-index nanorods. In this letter, we describe a new approach to realize metasurfaces based on electronic transitions in two-level systems (TLSs). These metasurfaces can reproduce all of the major results in conventional metasurfaces. In addition, since TLSs can be lossless, tunable, and orders of magnitude smaller than optical resonators, atomic metasurfaces can realize functions that are difficult to achieve with optical resonators. Specifically, we develop quantum scattering theory to describe the interaction between single photons and atomic metasurfaces. Based on the theory, we use a sheet of three-level Λ-type atoms as an example and theoretically demonstrate dynamically tunable single-photon steering. We further show directional beaming of spontaneously emitted photons from atomic metasurfaces.

研究动机与目标

• 开发一类基于两能级系统（TLSs）电子跃迁的新一代超表面，用于单光子调控。
• 克服基于等离子体天线或高折射率纳米棒的传统超表面的局限性，如高损耗和有限可调谐性。
• 证明原子超表面不仅能实现传统超表面的所有主要功能，还可实现如动态可调性与亚波长控制等新能力。
• 基于量子散射框架，理论研究单光子与原子超表面相互作用的量子动力学行为。

提出的方法

• 本研究采用量子散射理论，模拟单光子与二维两能级系统（TLSs）阵列在超表面构型下的相互作用。
• 采用三层Λ型原子阵列作为模型系统，通过外部控制场实现对光子轨迹的动态调谐。
• 理论分析用于计算单光子入射或发射至原子超表面时的散射矩阵与辐射图案。
• 通过改变控制参数分析系统响应，证明可调谐的光束导引与定向发射。
• 理论推导基于偶极近似与旋转波近似，以在量子层面建模光与物质的相互作用。
• 该框架可计算远场辐射图案及自发辐射的方向性程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于TLSs的原子超表面能否再现传统超表面在单光子调控中的各项功能？
• RQ2 对原子能级的动态调谐如何影响原子超表面中单光子的导引行为？
• RQ3 与传统发射器相比，原子超表面在增强自发辐射方向性方面能达到何种程度？
• RQ4 量子干涉在实现原子超表面中定向辐射与可调散射中起什么作用？
• RQ5 与等离子体或介质谐振器相比，原子超表面能否在极低损耗下实现亚波长控制？

主要发现

• 理论框架表明，原子超表面可实现传统超表面的所有主要功能，包括波前整形与光束导引。
• 通过Λ型原子系统，理论证明可实现单光子导引的动态调谐，其中外部控制场调制散射响应。
• 由于原子系综中的量子干涉效应，自发辐射的定向辐射得以实现，增强特定角度的发射。
• 原子超表面设计支持亚波长空间控制，其特征尺寸比传统光学谐振器小数个数量级。
• 由于电子跃迁的相干性，TLS基超表面理论上可实现无损耗运行，与损耗较高的等离子体结构形成鲜明对比。
• 系统在发射图案中表现出强烈的角依赖性，通过相长干涉实现自发辐射的高方向性。