[论文解读] Spontaneous down conversion in metal-dielectric interface - a possible source of polarization-entangled photons

V. Hizhnyakov, Ardi Loot|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Quantum Mechanics and Applications参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过在金属-电介质界面处以倾斜激光激发实现自发下转换，生成偏振纠缠光子对。通过利用Kretschmann结构和纳米结构金属薄膜实现相位匹配，该方法能够高效生成具有高转换效率的纠缠表面等离子体极化激元，为片上量子光子学提供了一条有前景的途径。

ABSTRACT

Spontaneous down conversion in metal-dielectric interface in case of oblique laser excitation is considered. In this case it is possible to generate pairs of polarization entangled surface plasmon polaritons with high efficiency if to use excitation angle corresponding to the Kretschmann configuration for generated plasmons. The efficiency can be additionally enlarged if to use properly nanostructured metallic film allowing one to directly excite surface plasmon polaritons and to fulfill phase matching condition of them with generated surface plasmon polaritons.

研究动机与目标

• 探索在金属-电介质界面处的自发下转换作为偏振纠缠光子源的可行性。
• 通过利用表面等离子体极化激元，解决传统纠缠光子生成中效率低下的挑战。
• 通过优化激发几何结构和纳米结构金属薄膜，提升生成效率。
• 实现泵浦光与生成的表面等离子体极化激元之间的相位匹配，以提高转换效率。
• 展示一种可扩展、适用于片上集成的量子光子器件平台，用于利用等离子体结构生成纠缠光子。

提出的方法

• 在金属-电介质界面处采用倾斜激光激发，驱动自发下转换过程。
• 应用Kretschmann结构以共振激发表面等离子体极化激元，从而提高耦合效率。
• 采用纳米结构金属薄膜直接激发表面等离子体极化激元，并满足相位匹配条件。
• 利用量子光学原理建立模型，描述在表面模式存在下光子对的生成过程。
• 通过表面等离子体态的对称性和模式结构，分析生成光子对的偏振纠缠特性。
• 考虑动量与能量守恒在界面处下转换过程中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金属-电介质界面处的自发下转换能否高效生成偏振纠缠光子对？
• RQ2 Kretschmann结构如何提升纠缠表面等离子体极化激元的生成效率？
• RQ3 对金属薄膜进行纳米结构化在多大程度上可改善相位匹配与转换效率？
• RQ4 该构型下可实现的偏振纠缠程度如何？
• RQ5 该机制是否可集成于紧凑的、片上量子光子器件中？

主要发现

• Kretschmann结构能够实现表面等离子体极化激元的共振激发，显著提高自发下转换的效率。
• 纳米结构金属薄膜可直接激发表面等离子体极化激元，并实现泵浦光与生成模式之间的相位匹配。
• 由于表面等离子体模式的对称性，生成的光子对表现出强烈的偏振纠缠。
• 理论分析证实，在最优激发角度和材料参数下，可实现高转换效率。
• 该系统支持一种可扩展的、适用于片上集成的光子纠缠生成平台，具有集成于量子信息电路的潜力。
• 该方法利用了现有等离子体技术，与当前纳米制造工艺兼容。