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物理学 > 光学

arXiv:2507.12421 (physics)
[提交于 2025年7月16日 ]

标题: 用于表面等离激元与共振原子系综纳米尺度相干相互作用的石墨烯平台

标题: A graphene platform for nano scale coherent interaction of surface plasmons with resonant atomic ensembles

Authors:Ali A. Kamli, Sergey A. Moiseev
摘要: 我们提出一种包含原子集合的二维石墨烯结构,作为实现等离激元场与共振原子系统纳米尺度增强相干相互作用的平台。 我们确定石墨烯表面等离激元模式及其电磁场的特性,并强调石墨烯片间距在不同偶极取向和石墨烯片之间位置情况下与原子系统相互作用的作用。 我们分析实现表面等离激元模式与共振原子集合相干相互作用的条件。 通过求解描述表面等离激元与原子共振相互作用的麦克斯韦-布洛赫方程,我们推导出修正的面积定理,这使得在所研究条件下识别等离激子行为中最常见的非线性模式成为可能。 我们获得面积定理的解析和数值解,并发现相对于$\pi$的“分数”脉冲面积值下,石墨烯表面等离激元模式的孤立SP脉冲稳定传播的可能性。 我们表明,SP场的相干动力学可以在纳米尺度设计中实现,并强调利用这种相干动力学方案实现紧凑多模纳米尺度量子存储器及其与其他量子器件在所提出的平台上集成的可能性。
摘要: We propose a 2D graphene structure containing atomic ensemble as a platform for implementing nanoscale enhanced coherent interactions of plasmonic fields with resonant atomic systems. We determine the graphene surface plasmon modes, and the properties of its electromagnetic fields, and emphasize the role of graphene sheet separation on the interaction with atomic systems for various dipole orientations and positions between the graphene sheets. We analyze the conditions for implementation of coherent interaction of SP mode with resonant atomic ensembles. By solving the Maxwell-Bloch equations that govern the resonant interaction of surface plasmons with atoms, we derive the modified area theorem, which makes it possible to identify the most common nonlinear patterns in the behavior of plasmons under the studied conditions. We obtain analytical and numerical solutions of the area theorem, and find the possibility of stable propagation of isolated SP pulses of graphene surface plasmon modes at "fractional" pulse area values relative to $\pi$. We show that the coherent dynamics of SP fields can be realized in nanoscale design and we highlight the possibilities of using this scheme of coherent dynamics for implementing compact multimode nanoscale quantum memory and its integration with other quantum devices on the proposed platform.
主题: 光学 (physics.optics) ; 原子物理 (physics.atom-ph); 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2507.12421 [physics.optics]
  (或者 arXiv:2507.12421v1 [physics.optics] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.12421
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Sergey A. Moiseev [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 7 月 16 日 17:10:32 UTC (368 KB)
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