[論文レビュー] Chromodynamics of photons in an artificial non-Abelian magnetic Yang-Mills field

Antonio Fieramosca, Laura Polimeno+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、2次元ペロブスカイトマイクロカビティ内での光子に対して、強いスピン軌道結合を用いて人工的な非アーベルヤン＝ミルズゲージ場を実験的に実現した。この系は、クォーカーの色力学を模倣するSU(2)ゲージ場を生成し、励起子ポラリトン波束の曲線的な軌道とスピンの進化を示した。実空間で直接SU(2)色力学方程式を観測し、スピンと軌道の進化を直接観測可能な、クォーク・グルーオン力学の光子シミュレータを提供した。

ABSTRACT

Artificial gauge fields, simulating real phenomenologies that unfold in a vast variety of systems, offer extraordinary possibilities to study extreme physical effects in many different environments, from high energy physics to quantum mechanics and cosmology. They are also at the heart of topological physics. Here, exploiting a strongly anisotropic material under strong coupling regime, we experimentally synthesize a Yang-Mills non-Abelian gauge field acting on an exciton-polariton quantum flow like a magnetic field. We observe experimentally the corresponding curved trajectories and spin precession. This motion follows chromodynamics equations which normally describe the quarks strong interactions and their color. Our work therefore opens exciting perspectives of simulating quark-gluon dynamics using highly flexible photonic simulators. It makes of sub-atomic physics a potential new playground to apply topological physics concepts.

研究の動機と目的

• 固体系プラットフォームにおける光子のための人工的非アーベルゲージ場を実現すること。
• 強く結合した系における励起子ポラリトンを用いてクォーク様の色力学を模倣すること。
• ヤン＝ミルズ磁場が空間的軌道とスピンの進化に与える影響を実験的に観測すること。
• 光子系を用いて、直接観測可能な量子色力学のアナログを提供すること。

提案手法

• 双屈折を用いて強いスピン軌道結合を有する2次元ハイブリッド有機・無機ペロブスカイトマイクロカビティを設計すること。
• 強く結合した励起子ポラリトン系におけるラシバ＝ドレゼルハウススピン軌道結合を活用し、非アーベルSU(2)ゲージポテンシャルを生成すること。
• 偏光分解能発光像像測定を用いて波束の軌道とスピンテクスチャを測定すること。
• ヤン＝ミルズ色力学方程式を用いて空間的およびスピン的ダイナミクスをモデル化すること。
• 実験結果とSU(2)色力学方程式に基づくシミュレーションを比較すること。
• 欠陥ポテンシャルを用いて非アーベル場における横方向力およびスピンの進化効果をプローブすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体系において、光子のための非アーベルヤン＝ミルズゲージ場を実験的に合成できるか？
• RQ2 励起子ポラリトンの空間的軌道とスピンの進化は、人工的な非アーベルゲージ場に対してどのように応答するか？
• RQ3 観測されたダイナミクスはどの程度SU(2)色力学方程式で記述できるか？
• RQ4 この系は、直接実験的に観測可能なクォーク・グルーオン力学の光子シミュレータとして機能できるか？
• RQ5 非アーベルヤン＝ミルズ力とアノーマルホール効果のようなアーベル的Emergentゲージ効果（例えばベリー曲率）とは、何が異なるか？

主な発見

• 横方向のヤン＝ミルズ力により、励起子ポラリトン波束の曲線的軌道が観測され、実空間で直接確認された。
• ポラリトンのスピンの進化が測定され、s3成分の振動が非アーベルゲージ結合を確認した。
• 実験的軌道とスピンテクスチャは、SU(2)色力学方程式に基づくシミュレーションと一致した。
• 欠陥ポテンシャルにより、下流に収束する流れが誘発され、上方と下方で逆向きのスピン電流が生じ、密度分布を形作る横方向力が発現した。
• 観測されたダイナミクスはアノーマルホール効果とは異なり、運動量空間におけるベリー曲率ではなく、実空間における非アーベルゲージ場に起因する。
• この系は、完全に解ける、直接観測可能な量子色力学のアナログを提供し、粒子の軌道とスピンの向きを直接測定可能である。