フォトニック分子

フォトニック分子は、光子が結合して「分子」を形成する物質の一形態である。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これらは2007年に初めて予測された。フォトニック分子は、個々の（質量のない）光子が「互いに非常に強く相互作用し、質量を持っているかのように振る舞う」ときに形成される。[ 4 ]別の定義（同じではない）では、2つ以上の結合した光共振器に閉じ込められた光子も、相互作用する原子エネルギーレベルの物理を再現し、フォトニック分子と呼ばれている。

研究者たちはこの現象とスターウォーズに登場する架空の「ライトセーバー」との類似点を指摘した。[ 4 ] [ 5 ]

工事

気体ルビジウム原子を真空チャンバーに送り込み、レーザーを用いて雲を絶対零度よりわずか数度高い温度まで冷却した。弱いレーザーパルスを用いて、少数の光子を雲に照射した。[ 4 ]

光子が雲に入ると、そのエネルギーによって進路上の原子が励起され、速度が低下しました。雲の媒質内では、光子は高度に励起されたリュードベリ状態にある強く相互作用する原子と分散的に結合しました。これにより、光子は強い相互引力を持つ質量の大きい粒子（光子分子）として振る舞いました。最終的に、光子は通常の光子（多くの場合、ペアでエンタングルメントした状態）として雲から出ました。[ 4 ]

この効果は、いわゆるリュードベリ遮断によって引き起こされます。リュードベリ遮断は、励起された原子が1つ存在すると、近くの原子が同じ程度に励起されるのを防ぎます。この場合、2つの光子が原子雲に入ると、最初の光子は原子を励起し、相互作用によって消滅しますが、伝達されたエネルギーは、2番目の光子が近くの原子を励起する前に、励起された原子内部で前進する必要があります。実際には、2つの光子は、エネルギーが1つの原子から次の原子に渡される際に、雲の中で互いに押し引き合い、相互作用を強いられます。この光子相互作用は、光子と原子間の電磁相互作用によって媒介されます。[ 4 ]

考えられる用途

光子の相互作用は、この効果を利用して量子情報を保存し、量子論理演算を使用して処理できるシステムを構築できることを示唆している。[ 4 ]

このシステムは、電子よりも光子を操作するのに必要な電力がはるかに少ないため、古典的なコンピューティングにも役立つ可能性があります。[ 4 ]

フォトニック分子を媒体内でより大きな2次元構造（図に似たもの）を形成するように配置することが可能かもしれない。[ 4 ]

光子分子として相互作用する光共振器

フォトニック分子という用語は、1998 年以来、電磁的に相互作用する光マイクロキャビティを含む無関係な現象にも使用されています。光マイクロキャビティおよびナノキャビティ内の量子化された閉じ込められた光子状態の特性は、原子内の閉じ込められた電子状態の特性と非常に似ています。[ 6 ]この類似性により、光マイクロキャビティは「フォトニック原子」と呼ぶことができます。このアナロジーをさらに進めると、相互に結合した複数のフォトニック原子のクラスターがフォトニック分子を形成します。[ 7 ]個々のフォトニック原子を近接させると、それらの光学モードが相互作用し、フォトニック分子の混成スーパーモードのスペクトルが生じます。[ 8 ]これは、2 つの孤立したシステムが結合したときに発生する状況と非常によく似ており、たとえば 2 つの水素原子軌道が集まって水素分子の結合軌道と反結合軌道を形成し、これが結合したシステム全体の混成スーパーモードになります。

マイクロメートルサイズの半導体は、光子を内部に閉じ込め、原子内の電子のように振る舞わせることができる。9月21日付けのPRLでは、この「光子原子」を2つ結合させる方法が発表された。この密接な関係の結果、「光子分子」が生まれ、その光学モードは水素のような二原子分子の電子状態に非常に類似している。[ 9 ]「化学分子に類似して名付けられた光子分子は、近接して配置された電磁相互作用する微小共振器、すなわち「光子原子」の集合体である。」[ 10 ]「光結合した微小共振器は、基礎科学研究だけでなく応用分野においても有望な特性を持つ光子構造として注目されている。」[ 11 ]

フォトニック分子の二準位系を初めて光子的に実現したのはSpreewら[ 12 ]である。彼らは光ファイバーを用いてリング共振器を実現したが、「フォトニック分子」という用語は用いなかった。分子を形成する二つのモードは、リングの偏光モード、あるいはリングの時計回りと反時計回りのモードのいずれかである可能性がある。その後、単純な二原子分子との類似性から着想を得て、リソグラフィーで作製されたフォトニック分子が実証された[ 13 ] 。しかし、自然界に着想を得た他のPM構造（例えば「フォトニックベンゼン」）も提案されており、化学的対応物の基底状態分子軌道に非常に類似した閉じ込め光モードをサポートすることが示されている[ 14 ] 。

フォトニック分子は、バイオ（化学）センシング、[ 15 ] [ 16 ]キャビティオプトメカニクス、[ 17 ] [ 18 ]マイクロレーザー、[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]など、さまざまな用途において孤立したフォトニック原子に比べて優れた利点を持っています。フォトニック分子は、多体物理学の量子シミュレータや将来の光量子情報処理ネットワークの構成要素としても使用できます。[ 23 ]

完全に類似して、閉じ込められた表面プラズモン状態をサポートする金属ナノ粒子のクラスターは、「プラズモニック分子」と呼ばれています。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]

最後に、ハイブリッドフォトニックプラズモニック（またはオプトプラズモニック）[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]および弾性分子[ 33 ]も提案され、実証されている。

参照

参考文献

  1. ^ Shen, Jung-Tsung; Fan, Shanhui (2007-04-13). 「2準位系に結合された1次元導波路における強く相関した2光子輸送」. Physical Review Letters . 98 (15) 153003. arXiv : quant-ph/0701170 . Bibcode : 2007PhRvL..98o3003S . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.153003 . PMID  17501344. S2CID  37715281 .
  2. ^ Shen, Jung-Tsung; Fan, Shanhui (2007-12-27). 「量子不純物を介した一次元における強相関多粒子輸送」. Physical Review A. 76 ( 6) 062709. arXiv : 0707.4335 . Bibcode : 2007PhRvA..76f2709S . doi : 10.1103/PhysRevA.76.062709 . S2CID 119608892 . 
  3. ^ Deutsch, Ivan H.; Chiao, Raymond Y.; Garrison, John C. (1992-12-21). 「非線形ファブリ・ペロー共振器における二光子：光量子細線における相互作用光子の束縛状態」. Physical Review Letters . 69 (25): 3627– 3630. Bibcode : 1992PhRvL..69.3627D . doi : 10.1103/PhysRevLett.69.3627 . PMID 10046872 . 
  4. ^ a b c d e f g h「光を新たな光で見る：科学者がこれまでに見たことのない物質の形を創造」 Science-daily.com. 2013年9月。
  5. ^ Firstenberg, O.; Peyronel, T.; Liang, QY; Gorshkov, AV; Lukin, MD; Vuletić, V. (2013). 「量子非線形媒質における引力光子」(PDF) . Nature (投稿原稿). 502 (7469): 71– 75. Bibcode : 2013Natur.502...71F . doi : 10.1038/nature12512 . hdl : 1721.1 /91605 . PMID 24067613. S2CID 1699899 .  
  6. ^ Benson, TM; Boriskina, SV; Sewell, P.; Vukovic, A.; Greedy, SC; Nosich, AI (2006). 「マイクロレーザーおよび集積オプトエレクトロニクス向けマイクロ光共振器」.平面光波回路技術の最前線. NATO科学シリーズII：数学、物理学、化学. 第216巻. p. 39. CiteSeerX 10.1.1.518.8691 . doi : 10.1007/1-4020-4167-5_02 . ISBN  978-1-4020-4164-8. S2CID  8299535 .
  7. ^ Boriskina, SV (2010). 「フォトニック分子とスペクトル工学」.フォトニック・マイクロ共振器の研究と応用. Springer Series in Optical Sciences. 第156巻. pp.  393– 421. arXiv : 1207.1274 . doi : 10.1007/978-1-4419-1744-7_16 . ISBN 978-1-4419-1743-0. S2CID  13276928 .
  8. ^ Rakovich, Y.; Donegan, J.; Gerlach, M.; Bradley, A.; Connolly, T.; Boland, J.; Gaponik, N.; Rogach, A. (2004). 「フォトニック分子における結合光モードの微細構造」. Physical Review A. 70 ( 5) 051801. Bibcode : 2004PhRvA..70e1801R . doi : 10.1103/PhysRevA.70.051801 . hdl : 2262/29166 .
  9. ^アンティア・メーヘル (1998). 「光の分子」.フィジカル・レビュー・フォーカス. 第2巻. doi : 10.1103/PhysRevFocus.2.14 .
  10. ^ Boriskina, Svetlana V.; Benson, Trevor M.; Sewell, Phillip (2007). 「整合および不整合マイクロキャビティからなるフォトニック分子：マイクロレーザーおよび光電子部品の新機能」. Kudryashov, Alexis V.; Paxton, Alan H.; Ilchenko, Vladimir S. (編). Laser Resonators and Beam Control IX . Vol. 6452. pp. 64520X. arXiv : 0704.2154 . doi : 10.1117/12.714344 . S2CID 55006344 . 
  11. ^ Grossmann, Tobias; Wienhold, Tobias; Bog, Uwe; Beck, Torsten; Friedmann, Christian; Kalt, Heinz; Mappes, Timo (2013). 「シリコン上における高分子フォトニック分子スーパーモードレーザー」 . Light: Science & Applications . 2 (5): e82. Bibcode : 2013LSA.....2E..82G . doi : 10.1038/lsa.2013.38 .
  12. ^ Spreeuw、RJC;ニュージャージー州ファン・ドルーテン。ミネソタ州バイエルスベルゲン;エリエル、ER。ウォードマン、日本(1990-11-19)。「強力に駆動される 2 レベル システムの古典的な実現」(PDF)。物理的なレビューレター。65 (21): 2642–2645。ビブコード: 1990PhRvL..65.2642S。土井：10.1103/PhysRevLett.65.2642。PMID 10042655。 
  13. ^ Bayer, M.; Gutbrod, T.; Reithmaier, J.; Forchel, A.; Reinecke, T.; Knipp, P.; Dremin, A.; Kulakovskii, V. (1998). 「フォトニック分子の光学モード」. Physical Review Letters . 81 (12): 2582– 2585. Bibcode : 1998PhRvL..81.2582B . doi : 10.1103/PhysRevLett.81.2582 .
  14. ^ Lin, B. (2003). 「フォトニック分子の変分解析：フォトニックベンゼン導波路への応用」. Physical Review E. 68 ( 3) 036611. Bibcode : 2003PhRvE..68c6611L . doi : 10.1103/PhysRevE.68.036611 . PMID 14524916 . 
  15. ^ Boriskina, SV (2006). 「スペクトル工学によるフォトニック分子を用いた高感度光センサー：提案と数値解析」. Journal of the Optical Society of America B . 23 (8): 1565. arXiv : physics/0603228 . Bibcode : 2006JOSAB..23.1565B . doi : 10.1364/JOSAB.23.001565 . S2CID 59580074 . 
  16. ^ Boriskina, SV; Dal Negro, L. (2010). 「自己参照型フォトニック分子バイオ（化学）センサー」. Optics Letters . 35 (14): 2496–8 . Bibcode : 2010OptL...35.2496B . CiteSeerX 10.1.1.470.1926 . doi : 10.1364/OL.35.002496 . PMID 20634875 .  
  17. ^ Jiang, X.; Lin, Q.; Rosenberg, J.; Vahala, K.; Painter, O. (2009). 「キャビティオプトメカニクスのための高Q値ダブルディスクマイクロキャビティ」 . Optics Express . 17 (23): 20911–9 . Bibcode : 2009OExpr..1720911J . doi : 10.1364/OE.17.020911 . PMID 19997328 . 
  18. ^ Hu, YW; Xiao, YF; Liu, YC; Gong, Q. (2013). 「オンチップマイクロキャビティによるオプトメカニカルセンシング」. Frontiers of Physics . 8 (5): 475– 490. Bibcode : 2013FrPhy...8..475H . doi : 10.1007/s11467-013-0384-y . S2CID 122299018 . 
  19. ^原泰久;向山哲也;武田 和也;桑田五神正史 (2003) 「フォトニック分子レーザー発振」。光学文字。28 (24): 2437– 9. Bibcode : 2003OptL...28.2437H。土井：10.1364/OL.28.002437。PMID 14690107。 
  20. ^中川 明; 石井 誠; 馬場 毅 (2005). 「GaInAsPマイクロディスクからなるフォトニック分子レーザー」.応用物理学論文集. 86 (4): 041112. Bibcode : 2005ApPhL..86d1112N . doi : 10.1063/1.1855388 .
  21. ^ Boriskina, SV (2006). 「対称光子分子におけるウィスパリングギャラリーモードのQ値の劇的な向上と縮退除去の理論的予測」. Optics Letters . 31 (3): 338–40 . Bibcode : 2006OptL...31..338B . doi : 10.1364/OL.31.000338 . PMID 16480201. S2CID 22088884 .  
  22. ^ Smotrova, EI; Nosich, AI; Benson, TM; Sewell, P. (2006). 「ウィスパリングギャラリーモードを備えた同一マイクロディスクで構成される環状フォトニック分子レーザーの閾値低減」. Optics Letters . 31 (7): 921–3 . Bibcode : 2006OptL...31..921S . doi : 10.1364/OL.31.000921 . PMID 16599212 . 
  23. ^ Hartmann, M.; Brandão, F.; Plenio, M. (2007). 「結合マイクロキャビティにおける有効スピン系」. Physical Review Letters . 99 (16) 160501. arXiv : 0704.3056 . Bibcode : 2007PhRvL..99p0501H . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.160501 . PMID 17995228. S2CID 592659 .  
  24. ^ Nordlander, P.; Oubre, C.; Prodan, E.; Li, K.; Stockman, MI (2004). 「ナノ粒子二量体におけるプラズモンハイブリダイゼーション」Nano Letters . 4 (5): 899– 903. Bibcode : 2004NanoL...4..899N . doi : 10.1021/nl049681c .
  25. ^ Fan, JA; Bao, K.; Wu, C.; Bao, J.; Bardhan, R.; Halas, NJ; Manoharan, VN; Shvets, G.; Nordlander, P.; Capasso, F. (2010). 「自己組織化プラズモニッククアドラマークラスターにおけるファノ型干渉」 . Nano Letters . 10 (11): 4680–5 . Bibcode : 2010NanoL..10.4680F . doi : 10.1021/nl1029732 . PMID 20923179 . 
  26. ^ Liu, N.; Mukherjee, S.; Bao, K.; Brown, LV; Dorfmüller, J.; Nordlander, P.; Halas, NJ (2012). 「人工芳香族分子における磁気プラズモンの形成と伝播」. Nano Letters . 12 (1): 364–9 . Bibcode : 2012NanoL..12..364L . doi : 10.1021/nl203641z . PMID 22122612 . 
  27. ^ Yan, B.; Boriskina, SV; Reinhard, BRM (2011). 「アレイアプリケーションのための金ナノ粒子クラスター構成（n≤ 7）の最適化」 . The Journal of Physical Chemistry C. 115 ( 11): 4578– 4583. doi : 10.1021/jp112146d . PMC 3095971. PMID 21603065 .  
  28. ^ Yan, B.; Boriskina, SV; Reinhard, BRM (2011). 「プラズモン増強バイオセンシングのための貴金属ナノ粒子クラスターアレイの設計と実装」 . The Journal of Physical Chemistry C. 115 ( 50): 24437– 24453. doi : 10.1021/jp207821t . PMC 3268044. PMID 22299057 .  
  29. ^ Boriskina, SV; Reinhard, BM (2011). 「オプトプラズモニックナノ回路のためのスペクトル的および空間的に構成可能なスーパーレンズ」 . Proceedings of the National Academy of Sciences . 108 ( 8): 3147– 3151. arXiv : 1110.6822 . Bibcode : 2011PNAS..108.3147B . doi : 10.1073/pnas.1016181108 . PMC 3044402. PMID 21300898 .  
  30. ^ Boriskina, SV; Reinhard, BRM (2011). 「オプトプラズモニック渦ナノゲートによるナノ光場の適応型オンチップ制御」 . Optics Express . 19 (22): 22305–15 . arXiv : 1111.0022 . Bibcode : 2011OExpr..1922305B . doi : 10.1364/OE.19.022305 . PMC 3298770. PMID 22109072 .  
  31. ^ Hong, Y.; Pourmand, M.; Boriskina, SV; Reinhard, BRM (2013). 「サブ波長次元を持つ自己組織化オプトプラズモニッククラスターにおける光集束の強化」. Advanced Materials . 25 (1): 115– 119. Bibcode : 2013AdM....25..115H . doi : 10.1002/adma.201202830 . PMID 23055393. S2CID 205247073 .  
  32. ^ Ahn, W.; Boriskina, SV; Hong, Y.; Reinhard, BRM (2012). 「オンチップ集積オプトプラズモニック分子におけるフォトニック–プラズモニックモード結合」. ACS Nano . 6 (1): 951– 60. Bibcode : 2012ACSNa...6..951A . doi : 10.1021/nn204577v . PMID 22148502 . 
  33. ^マルティネス＝アルグエロ、AM;トレダノ＝マリノ国会議員。テラン・フアレス、AE。フローレスオルメド、E.バエズ、G.サドゥルニ、E.メンデス＝サンチェス、RA（2022-02-21）。 「弾性人工ベンゼンの分子軌道」。物理的レビュー A . 105 (2) 022826.arXiv : 2108.12027。ビブコード: 2022PhRvA.105b2826M。土井: 10.1103/PhysRevA.105.022826。S2CID 237347078。 
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photonic_molecule&oldid=1315171977」から取得