非线性等离激元腔中激子-等离激元极化态促进的简并参量下转换

我们研究了在通过近场相互作用耦合到非线性等离激元腔的单一表面等离激元(SP)模式的一群二能级量子发射体(QEs)集合中,简并参量下转换(DPDC)的效应。为此,我们建立了一个量子驱动-耗散模型,捕捉系统的非平衡动力学,其中非相干泵浦的 QEs 的跃迁频率调谐在 SP 的二次谐波响应附近。考虑到强耦合 regime,即 SP-QE 相互作用速率超过系统耗散速率,我们发现了一个归因于正常与激射稳态之间相变的临界 SP-QE 耦合。考察系统稳态之上的涨落,我们预言了新的元激发,即由两 SP 量子与 QEs 的单激子态形成的激子-等离激元极化子。两 SP 量子的贡献导致 SP-QE 相互作用速率随 QEs 数目 ${\cal N}_o$ 线性标度,而非 Dicke 与 Tavis-Cummings 模型已知的 $\sqrt{{\cal N}_o}$ 标度。我们进一步考察了 SP-QE 相互作用标度如何影响临界耦合附近的极化子色散与功率谱。为此,我们比较了假设有限 QEs 集合与模型热力学极限的计算结果。计算所得的功率谱预言了 QEs 在二次谐波频率附近的相干光子发射与 SPs 在基频处的关联光子对发射(即光子 DPDC 效应)之间的相互作用。