論文の概要: Semi-empirical Quantum Optics for Mid-Infrared Molecular Nanophotonics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2110.07371v1
- Date: Thu, 14 Oct 2021 14:02:19 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-11 12:18:29.915526
- Title: Semi-empirical Quantum Optics for Mid-Infrared Molecular Nanophotonics
- Title（参考訳）: 中赤外分子ナノフォトニクスのための半経験的量子光学
- Authors: Johan F. Triana, Mauricio Arias, Jun Nishida, Eric Muller, Roland
Wilcken, Samuel C. Johnson, Aldo Delgado, Markus B. Raschke, Felipe Herrera
- Abstract要約: 我々は、中赤外フェムト秒レーザーパルス駆動系における光-マター相互作用を記述するための半経験的量子光学法を開発した。
弱い結合状態において,分子振動レベルの自然な不調和性を共振器近傍の共振器に伝達する可能性を提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.418727776163473
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Nanoscale infrared (IR) resonators with sub-diffraction limited mode volumes
and open geometries have emerged as new platforms for implementing cavity
quantum electrodynamics (QED) at room temperature. The use of infrared (IR)
nano-antennas and tip nanoprobes to study strong light-matter coupling of
molecular vibrations with the vacuum field can be exploited for IR quantum
control with nanometer and femtosecond resolution. In order to accelerate the
development of molecule-based quantum nano-photonic devices in the mid-IR, we
develop a generally applicable semi-empirical quantum optics approach to
describe light-matter interaction in systems driven by mid-IR femtosecond laser
pulses. The theory is shown to reproduce recent experiments on the acceleration
of the vibrational relaxation rate in infrared nanostructures, and also provide
physical insights for the implementation of coherent phase rotations of the
near-field using broadband nanotips. We then apply the quantum framework to
develop general tip-design rules for the experimental manipulation of
vibrational strong coupling and Fano interference effects in open infrared
resonators. We finally propose the possibility of transferring the natural
anharmonicity of molecular vibrational levels to the resonator near-field in
the weak coupling regime, to implement intensity-dependent phase shifts of the
coupled system response with strong pulses. Our semi-empirical quantum theory
is equivalent to first-principles techniques based on Maxwell's equations, but
its lower computational cost suggests its use a rapid design tool for the
development of strongly-coupled infrared nanophotonic hardware for applications
ranging from quantum control of materials to quantum information processing.
- Abstract（参考訳）: 室温で空洞量子電磁力学(QED)を実装するための新しいプラットフォームとして、サブ回折制限モードボリュームと開放ジオメトリーを備えたナノスケール赤外線共振器が出現している。
赤外(IR)ナノアンテナと先端ナノプローブを用いて、分子振動と真空場との強い光-物質結合を研究することで、ナノメートルとフェムト秒分解能のIR量子制御に利用できる。
分子ベースの量子ナノフォトニクスデバイスの開発を加速するため,中赤外フェムト秒レーザーパルス駆動系における光-物質相互作用を記述するための半経験的量子光学手法を開発した。
この理論は、赤外線ナノ構造における振動緩和速度の加速に関する最近の実験を再現し、ブロードバンドナノチップを用いた近接場のコヒーレント位相回転の実装に関する物理的知見を提供する。
次に、この量子フレームワークを用いて、開赤外共振器における振動強い結合とファノ干渉効果の実験操作のための一般的なチップ設計ルールを開発する。
強パルスによる結合系応答の強度依存性位相シフトを実現するため,弱結合状態における分子振動レベルの自然な無調和を共振器近傍場に伝達する可能性を提案する。
我々の半経験的量子論は、マクスウェル方程式に基づく第一原理技術と等価であるが、計算コストの低さは、物質の量子制御から量子情報処理まで、応用のための強結合赤外線ナノフォトニクスハードウェアの開発に、迅速な設計ツールを使用することを示唆している。
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