作者:Dmitry Krizhanovskii 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2024/7/19 16:39:29
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揭示Cu2O微腔中非线性Rydberg激元-极化子的量子光学特性

 

导读

近日,英国谢菲尔德大学Dmitry Krizhanovskii教授团队,联合英国埃克塞特大学Oleksandr Kyriienko,圣安德鲁斯大学Hamid Ohadi,以及德国多特蒙德工业大学物理系Manfred Bayer教授团队,成功在Cu2O微腔中实现了非线性Rydberg激元-极化子的强有效光子-光子相互作用,特别是通过里德堡阻塞现象实现了强光子-光子相互作用。这种非线性响应在量子光学和光子学领域具有重要意义,可以用于开发新型的光学器件和更为高效的量子信息处理技术。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》,题为“Nonlinear Rydberg exciton-polaritons in Cu2O microcavities” 。Maxim Makhonin为论文的第一作者,Dmitry Krizhanovskii 为论文通讯作者。

研究背景

Rydberg激元,作为固态系统中的量子光学现象,因其独特的长程相互作用和非线性特性而备受关注。这些激元在量子计算、量子通信以及光学传感等领域具有巨大的应用潜力。然而,如何在固态系统中实现对Rydberg激元的精确控制,尤其是在非线性光学特性方面,一直是一个严峻的挑战。另一方面,高激发数的里德堡激元虽然能提供更强的非线性,但也更难制备,因为这些激元通常在低温和特定的实验条件下才能形成。此外,Rydberg激元的非线性特性在高密度下尤为显著,这要求实验中能够精确控制激元的密度。在实验上更不容易观察到。

创新研究

本文创新性地利用Cu2O微腔观察到了Rydberg激元-极化子的非线性光学响应,特别是通过Rydberg阻塞现象实现了强有效的光子-光子相互作用(Kerr型光学非线性)。Cu2O材料的特殊性在于其Rydberg激元具有较大的玻尔半径,这使得它们在微腔中更容易与光子发生强耦合,从而形成极化子。这种强耦合是实现非线性光学效应的关键。图1展示了Cu2O微腔的结构和色散特性,以及在不同波矢量下超连续激光透射的瀑布光谱图,揭示了微腔模式与Rydberg激元之间的强耦合。

作者通过归一化透射光谱,研究团队展示了随着泵浦功率增加,Cu2O微腔中极化子共振频率的重整化现象(图2);通过测量非线性系数β随主量子数n的变化,文章作者揭示了Rydberg激元-极化子非线性特性的量子尺度效应(图3)。此外,不同主量子数n对非线性折射率n2也有不同的贡献,随着主量子数n的增大而非线性地增加(图4)。这些数据不仅证实了Rydberg阻塞在实验中的关键作用,而且为非线性光学器件的设计提供了重要的参考。

此外,作者还研究了泵浦-探测实验中Rabi分裂的时间分辨特性图,展示了Rabi分裂随时间延迟的变化。这些结果进一步证实了非线性光学特性的动态调控能力,为实现量子光学应用提供了实验依据(图5)。

这项研究不仅在理论上提供了对Rydberg激元-极化子非线性特性的深入理解,而且在实验技术上实现了对这些非线性特性的精确控制。这一成果不仅为量子光学领域的研究提供了新的实验平台,也为高度非线性光学器件的开发奠定了坚实的基础。这一研究有望在未来的量子通信、量子计算以及光学传感等领域发挥重要作用。(来源:LightScienceApplications微信公众号)

图1:Cu2O微腔的示意图和色散曲线。(a) 用于透射实验的固体腔示意图。 (b) Cu2O样品的显微镜图像。(c)使用超连续激光器在不同能量下获得的透射瀑布光谱图。共振条件可见极化子双峰。(d) 腔里德堡激元和极化子的色散。

图2:Cu2O共振腔的归一化透射谱。这些光谱是在窄带(1.75 meV)激发下获取的,并针对不同的主量子数n进行了归一化和移动以便清晰展示。实线表示与耦合振子模型的拟合。

图3:非线性拉比劈裂及其与主量子数相关的倍比。(a) Rabi分裂与激元密度ρ和泵浦光强的关系图。(b) 非线性系数(β因子)与主量子数n的线性-对数图。

图4:每个激元模式(n = 3至7)对非线性折射率n2的贡献。

图5:n=4里德堡激元模式下,拉比劈裂的泵浦-探测实验。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41377-024-01382-9

 
 
 
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