[论文解读] Optical Analogue of the Dynamical Casimir Effect in a Dispersion-Oscillating Fibre

Stefano Vezzoli, Arnaud Mussot+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2018

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 28被引用 45

一句话总结

本文展示了色散振荡光子晶体光纤中动态Casimir效应的光学类比，显示真空起源的光子对通过Kerr非线性产生，并证实了非经典相关性。

ABSTRACT

The dynamical Casimir effect is the generation of pairs of real particles or photons from the vacuum as a result of a non-adiabatic change of a system parameter or boundary condition. As opposed to standard parametric amplification where the modulation occurs both in space and in time, this fundamental process requires a pure modulation in time, which makes its detection particularly challenging at optical frequencies. In this paper we experimentally demonstrate a realisation of the optical analogue of the mechanical dynamical Casimir effect in the near-infrared optical regime in a dispersion-oscillating photonic crystal fibre. The experiments are based on the equivalence of the spatial modulation of the fibre core diameter to a pure temporal modulation when this is considered in the co-moving frame of the travelling pump pulse. We provide evidence of optical dynamical Casimir effect by measuring quantum correlations between the spectrally resolved photon pairs. The non-classical nature of the measured light is supported by evidence of anti-bunching photon statistics.

研究动机与目标

• 以分散-振荡光纤（DOF）为手段，激发并实现动态Casimir效应(DCE)的光学类比。
• 解释在泵脉冲共动参考系中，空间的芯径调制如何映射到时间上的调制。
• 通过测量频谱分辨的光子对之间的量子相关性来提供DCE的证据。
• 通过反聚束统计和引导的 g(2)(0) 测量来展示非经典光。

提出的方法

• 在共动参考系中，建立一个分散介质中时变折射率与 χ(3)|E|^2 成正比的条件模型，用于描述DCE。
• 在实验室坐标中推导DCE频率条件为 |Δω−v_g k| = mK/2 + v_g k_0，并简化为 β2Δω^2 + (1/12)β4Δω^4 = mK，能量守恒意味着对称的±Δω。
• 使用具有周期性GVD调制的分散振荡光纤和短泵浦脉冲（600 ps）来诱发该效应。
• 对预测波长附近的信号光子和闲光子进行滤波和频谱分辨（如，954 nm 和 1173 nm），并使用SPADs测量 coincidences。
• 通过 coincidence-to-accidental 比值（CAR）和引导的 g(2)(0) 测量来量化非经典性，同时控制拉曼背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够在光学介质中通过泵脉冲的共动参考系实现的时间调制来实现DCE样的光子对产生？
• RQ2 经频谱分辨的信号-闲光子对是否呈现与真空种子DCE一致的非经典相关性？
• RQ3 色散特性（β2、β4）和光纤调制如何决定DCE发射频率？
• RQ4 观测到的光是否呈反群聚，当CAR>1时，g(2)(0) 是否小于1，指示非经典发射？

主要发现

• 光子对在DCE条件预测的波长处发射，零延迟处有显著的N_s,i(0)峰值，证实了清晰的量子相关性。
• 对于满足DCE推导条件的波长对，CAR 仍然显著；否则会下降。
• 在给定泵浦参数下，最佳CAR（约5）和最高计数出现在 λ_s=954 nm 和 λ_i=1173 nm。
• 对于 CAR > 1，观测到 g(2)(0) < 1，指示非经典的引导发射。
• 对有限拉曼背景进行了考虑，估计在 P_p=0.03 W 时，DCE 光子对约为每个泵浦脉冲 2×10^-3，(相比之下约 0.18 个拉曼光子)。
• 结果符合DCE派生的光谱预测以及来自参量放大相位匹配直觉的思路。