[论文解读] Coalescence and anti-coalescence of surface plasmons on a lossy beamsplitter

Benjamin Vest, Marie-Christine Dheur+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 41

一句话总结

本文展示了在损耗性等离子体分束器上，两个自由传播的表面等离子体极化激元（SPPs）之间的量子干涉，观察到由于受控损耗引起的聚束（HOM深谷）与反聚束（HOM峰）。通过调控分束器的反射与透射系数，作者表明损耗可作为可调自由度，实现新型量子干涉情景，将量子光学现象拓展至损耗性等离子体系统，具有潜在的量子信息应用价值。

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.

研究动机与目标

• 研究在损耗性等离子体分束器上，两个相同表面等离子体极化激元（SPPs）之间的量子干涉效应。
• 探索分束器中的损耗如何作为可调自由度，用于调控量子干涉相位。
• 在等离子体Hong-Ou-Mandel实验的版本中，展示聚束（HOM深谷）与反聚束（HOM峰）。
• 验证当分束器本身具有损耗时，诸如两粒子干涉等量子效应依然存在，这与以往实验中分束器无损耗的假设形成对比。

提出的方法

• 采用类型-II自发参量下转换（SPDC）源，在806 nm波长处产生频率简并、正交极化的光子对。
• 光子经偏振分束器分离后耦合进入单模光纤，再通过金膜（300 nm厚）在熔融石英基底上的光栅耦合器激发为SPPs。
• 通过电动平移台在两条SPP路径间引入可变延迟δHOM，以扫描干涉可见度。
• 利用聚焦离子束铣削技术，制备具有可调反射与透射系数的等离子体分束器，几何参数（凹槽宽度w、间隙g、高度h）用于调控光学响应。
• SPPs在分束器处重新组合，并通过大尺寸狭缝耦合回光子，由单光子计数模块（SPCMs）探测。
• 采用PXIe-1073 FPGA系统以10 ns时间分辨率记录SPCM之间的符合计数，用于测量干涉条纹。

实验结果

研究问题

• RQ1 两个自由传播、非导引的表面等离子体极化激元是否可在损耗性分束器上表现出量子干涉？
• RQ2 分束器中的损耗如何影响反射与透射振幅之间的相对相位？该影响是否可用于调控干涉结果？
• RQ3 在具有损耗元件的等离子体系统中，是否可实验观测到聚束（HOM深谷）与反聚束（HOM峰）？
• RQ4 分束器中的损耗在多大程度上放宽了对反射与透射系数的约束，从而实现新的量子干涉情景？

主要发现

• 当分束器具有平衡的反射与透射系数时，作者在符合计数中观测到Hong-Ou-Mandel（HOM）深谷，证实了等离子体的聚束行为。
• 对于特定分束器设计，符合计数中观测到HOM峰，表明由于损耗路径振幅之间的相消干涉，产生了反聚束。
• 通过调节损耗性分束器的几何参数（w、g、h），实现了聚束与反聚束之间的转变，从而控制了反射与透射振幅之间的相对相位。
• 实验结果证实，即使分束器本身具有损耗，量子干涉效应（包括两粒子干涉）依然可观测，挑战了‘损耗总是削弱量子效应’的假设。
• 本研究证明，等离子体元件中的损耗可被用作设计参数，以构建新型量子干涉现象，如反聚束。
• 10 ns的时间分辨率使干涉条纹得以清晰观测，符合计数用于提取可见度，并可区分HOM深谷与峰的特征。