Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/35949
Type: Tese
Title: Correlações quânticas no espalhamento Raman Stokes e anti-Stokes: o equivalente fotônico dos pares de Cooper
Other Titles: Quantum correlations in the Stokes and anti-Stokes Raman scattering: the photonic counterparts of Cooper pairs
Authors: Filomeno Soares de Aguiar Júnior
First Advisor: Ado Jorio de Vasconcelos
First Co-advisor: Carlos Henrique Monken
First Referee: Maria Carolina de Oliveira Aguiar
Second Referee: Paulo Henrique Souto Ribeiro
Third Referee: Antonio Gomes de Souza Filho
metadata.dc.contributor.referee4: Paulo Alberto Nussenzveig
Abstract: O espalhamento Raman correlacionado, denominado aqui processo SaS, ocorre com a destruição, dentro de um material, de dois fótons de um laser de excitação e a criação de um par de fótons Stokes (S) e anti-Soktes (aS) correlacionado quanticamente onde o fônon criado no processo S é aniquilado no espalhamento aS. Nós verificamos que, além do processo SaS real, onde a troca de energia coincide com a energia de um estado vibracional do material, existe também o processo SaS virtual, cuja troca de energia e momento entre os fótons do laser, gerando o par S-aS, é mediada por uma excitação vibracional virtual configurando uma interação fóton-fóton similar à atração elétron-elétron responsável pela criação dos pares de Cooper na teria BCS da supercondutividade. Observamos o processo SaS em meios transparentes em geral, via medição de valores não clássicos da função de correlação de segunda ordem normalizada dos campos Stokes e anti-Stokes, 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0). No diamante, caracterizamos a intensidade do espalhamento SaS (𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 ) em função da energia do fônon virtual, verificando que o processo SaS ocorre somente quando à interação fóton-fóton é atrativa, como acontece na teoria BCS para os pares de Cooper. Mostramos que os pares de fótons S e aS são espalhados predominantemente na mesma polarização do laser de excitação da amostra e, com isso, implementamos a técnica de pump-probe para o estudo do tempo de vida do fônon real (obtido no diamante da ordem de 2,8 ps) e da excitação virtual, que mostrou ser menor que a resolução temporal da medida, caracterizando uma das principais diferenças entre os dois processos. Observamos também que, devido às relações de conservação de energia e momento, 𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 segue o mesmo perfil espacial de intensidade do laser não interagente que atravessa a amostra, diferentemente do comportamento observado para o espalhamento Raman não correlacionado, que espalha fótons em todas as direções. Nós observamos que a eficiência do espalhamento SaS é proporcional à seção de choque do espalhamento Raman quando comparamos o processo em diferentes hidrocarbonetos e generalizamos as observações feitas no diamante para a amostra líquida de decano. Na água, os valores de 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0) previstos pela descrição teórica do processo corroboram os dados experimentais, validando a teoria BCS para espalhamento SaS virtual e colocando os pares de fótons Stokes e anti-Stokes correlacionados como análogos fotônicos aos pares de Cooper.
Abstract: The correlated Raman scattering, referred to here as the SaS process, occurs with the annihilation, within a material, of two photons of an excitation laser and the creation of a quantum correlated Stokes (S) and anti-Soktes (aS) photon pair where the phonon created in the S process is annihilated in the aS scattering. We found that, in addition to real SaS process where the energy exchange coincides with the energy of a vibrational state of the material, there is also the virtual SaS process, whose the exchange of energy and momentum between the photons of the laser, generating the S-aS photon pair, is mediated by a virtual vibrational excitation, setting up a photon-photon interaction similar to the electron-electron attraction responsible for the creation of Cooper pairs of the BCS theory of superconductivity. We observed the SaS process in transparent media in general, by measuring non-classical values of the normalized second-order cross-correlation function of the Stokes and anti-Stokes fields, 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0). In diamond, we characterize the intensity of the virtual SaS scattering (𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 ) as a function of the virtual phonon energy, proving that the SaS process occurs only when the photon-photon interaction is attractive, as in the BCS theory for the Cooper pairs. We show that photons S and aS from the SaS process are scattered predominantly in the same polarization as the excitation laser of the sample and, with this, we implemented the pump-probe technique to study the lifetime of the real phonon (obtained in the diamond order 2.8 ps ) and the lifetime of the virtual excitation, which proved to be inferior to the temporal resolution of the measurement’s, characterizing one of the main differences between the two processes. We also observed that, due to the relations of energy and momentum conservation, 𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 have the same spatial intensity profile of the non-interacting laser that crosses the sample, different from the behavior observed for uncorrelated Raman scattering which spreads photons in all directions. We observed that the efficiency of the SaS scattering is proportional to the Raman scattering cross-section when we compare the process in different hydrocarbons and we generalize the observations made in the diamond to the sample of liquid decane. In water, the values of 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0), predicted by the theoretical description of the process, corroborate the experimental data, validating the BCS theory for virtual SaS scattering, setting the pair of Stokes and anti-Stokes photons as counterparts of the Cooper pairs.
Subject: Espalhamento Raman
Ótica quântica
Supercondutividade
Ótica
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Física
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/35949
Issue Date: 25-Nov-2020
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