[论文解读] Second-order quantum nonlinear optical processes in graphene nanostructures

Marco T. Manzoni, Iván Silveiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 1

一句话总结

本文提出通过利用强束缚等离激元和非局域非线性效应，借助石墨烯纳米结构实现强二阶非线性光学过程。研究展示了在量子化等离激元之间实现极端内部下转换和二次谐波生成，其可观测效应可通过阵列中的集体耦合或单个纳米结构在单光子水平上的耦合实现。

ABSTRACT

Intense efforts have been made in recent years to realize nonlinear optical interactions at the single-photon level. Much of this work has focused on achieving strong third-order nonlinearities, such as by using single atoms or other quantum emitters while the possibility of achieving strong second-order nonlinearities remains unexplored. Here, we describe a novel technique to realize such nonlinearities using graphene, exploiting the strong per-photon fields associated with tightly confined graphene plasmons in combination with spatially nonlocal nonlinear optical interactions. We show that in properly designed graphene nanostructures, these conditions enable extremely strong internal down-conversion between a single quantized plasmon and an entangled plasmon pair, or the reverse process of second harmonic generation. A separate issue is how such strong internal nonlinearities can be observed, given the nominally weak coupling between these plasmon resonances and free-space radiative fields. On one hand, by using the collective coupling to radiation of nanostructure arrays, we show that the internal nonlinearities can manifest themselves as efficient frequency conversion of radiative fields at extremely low input powers. On the other hand, the development of techniques to efficiently couple to single nanostructures would allow these nonlinear processes to occur at the level of single input photons.

研究动机与目标

• 通过实现强二阶非线性效应，探索非线性光学中尚未被充分研究的领域，相较于三阶效应，这些效应长期被忽视。
• 解决尽管与自由空间辐射耦合弱，但在量子等离激元系统中实现强内部非线性效应的挑战。
• 通过纳米结构阵列中的集体耦合或单个纳米结构的耦合，展示这些非线性效应的可观测表现。

提出的方法

• 利用强束缚的石墨烯等离激元，产生非线性相互作用所必需的强每光子场。
• 利用工程化石墨烯纳米结构中的空间非局域非线性光学相互作用，以增强非线性响应。
• 设计纳米结构，实现在单个量子化等离激元与纠缠等离激元对之间的极端内部下转换。
• 将该过程反转，以在相同系统中实现二次谐波生成。
• 采用纳米结构阵列的集体耦合，实现在低输入功率下高效辐射非线性效应。
• 追求单个纳米结构的耦合，以实现单光子输入水平下的非线性过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管辐射耦合弱，是否可在石墨烯纳米结构中实现具有强内部非线性的二阶非线性光学过程？
• RQ2 在实际中，如何使石墨烯等离激元系统中的内部非线性效应变得可观测？
• RQ3 空间非局域性在增强石墨烯纳米结构中二阶非线性效应方面发挥什么作用？
• RQ4 是否可通过石墨烯纳米结构阵列的集体耦合，在极低输入功率下实现高效频率转换？
• RQ5 在单个石墨烯纳米结构中，是否可行观测到单光子水平的非线性过程？

主要发现

• 石墨烯纳米结构中的二阶非线性效应可实现单个量子化等离激元与纠缠等离激元对之间的极端内部下转换。
• 该过程的反向——二次谐波生成——也可在相同系统中高效实现。
• 石墨烯纳米结构阵列中的集体耦合可使内部非线性效应表现为极低输入功率下对辐射场的高效频率转换。
• 单个纳米结构的耦合为在单光子输入水平观测这些非线性过程提供了可行路径。
• 石墨烯等离激元中强每光子场与空间非局域性的结合，实现了前所未有的非线性响应强度。