[论文解读] Cooperative behavior of quantum dipole emitters coupled to a zero-index nanoscale waveguide

Ruzan Sokhoyan, Harry A. Atwater|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文研究了偶极子发射器与具有介电芯和银包层的零折射率纳米波导耦合时的协同量子效应。通过在波导截止频率附近工作，使其表现出零折射率超材料特性，该研究展示了在发射器间纠缠方面对位置容差的放宽，以及在更大空间尺度上实现的超辐射，从而在集成光子系统中实现了稳健的集体量子行为。

ABSTRACT

We study cooperative behavior of quantum dipole emitters coupled to a rectangular waveguide with dielectric core and silver cladding. We investigate cooperative emission and inter-emitter entanglement generation phenomena for emitters whose resonant frequencies are near the frequency cutoff of the waveguide, where the waveguide effectively behaves as zero-index metamaterial. We show that coupling emitters to a zero-index waveguide allows one to relax the constraint on precision positioning of emitters for observing inter-emitter entanglement generation and extend the spatial scale at which the superradiance can be observed.

研究动机与目标

• 研究量子偶极子发射器耦合到纳米波导时的协同辐射与纠缠生成。
• 分析在波导表现出零折射率特性时，靠近截止频率工作的影响。
• 放宽在集体量子系统中观测发射器间纠缠所需的严格位置对准要求。
• 扩展在集成光子平台中可观测超辐射的空间范围。
• 展示零折射率波导在可扩展量子光子技术中的潜力。

提出的方法

• 建立具有介电芯和银包层的矩形波导模型，以在截止附近模拟零折射率超材料。
• 使用量子电动力学描述偶极子发射器与波导导模之间的耦合。
• 通过集体辐射速率和辐射模式分析协同辐射动力学。
• 通过凹凸度度量评估不同发射器间距和位置下的发射器间纠缠。
• 模拟系统在相对于波导截止频率不同频率下的行为。
• 应用解析与数值方法提取波导模式的有效折射率和模场分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 耦合到零折射率波导如何影响量子偶极子发射器的协同辐射？
• RQ2 发射器位置精度对这种系统中发射器间纠缠生成的影响是什么？
• RQ3 在零折射率波导中，超辐射的空间尺度可被扩展到何种程度？
• RQ4 波导在截止频率附近的特性如何影响集体量子效应？
• RQ5 零折射率波导是否能在无需严格纳米级对准的条件下实现稳健的量子关联？

主要发现

• 在波导截止频率附近，系统表现出零折射率特性，显著降低了对纠缠生成中发射器位置对准的敏感性。
• 集体辐射速率在长距离范围内仍保持较强，使得超辐射可在比传统波导更大的空间尺度上实现。
• 由于零折射率区域具有平坦色散和均匀相位分布，即使发射器未精确对齐，发射器间纠缠也具有鲁棒性。
• 波导支持具有近零相速度的导模，有利于多个发射器之间的相干耦合。
• 数值模拟证实，纠缠可在超过传统系统中典型原子间距的距离上生成并维持。
• 结果表明，零折射率波导可作为具有较低制造容差的可扩展集成量子光学平台。