[論文レビュー] Dynamical Gauge Fields in Optomechanics

Stefan Walter, Florian Marquardt|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、光子の流れに応じて力学的振動の位相が変化する光学力学系における動的人工ゲージ場を提案する。ここで力学的振動の位相が光子に対して有効な磁場を生成し、その磁場が光子の流れに応じて変化する。3サイトモデルでは4つの異なる動的状態が出現し、この枠組みは2次元格子へと拡張可能であり、光学力学的結晶を用いることで、調整可能で自己整合的なゲージ場を実現できる。

ABSTRACT

Artificial gauge fields for neutral particles such as photons, recently attracted a lot of attention in various fields ranging from photonic crystals to ultracold atoms in optical lattices to optomechanical arrays. Here we point out that, among all implementations of gauge fields, the optomechanical setting allows for the most natural extension where the gauge field becomes dynamical. The mechanical oscillation phases determine the effective artificial magnetic field for the photons, and once these phases are allowed to evolve, they respond to the flow of photons in the structure. We discuss a simple three-site model where we identify four different regimes of the gauge-field dynamics. Furthermore, we extend the discussion to a two-dimensional lattice. Our proposed scheme could for instance be implemented using optomechanical crystals.

研究の動機と目的

• 静的ではなく動的なゲージ場をとる人工ゲージ場の自然な拡張を検討すること。
• 光子に有効な磁場を決定する力学的振動位相が、光子の流れに応じてどのように変化するかを理解すること。
• 最小限の3サイト光学力学的モデルにおいて、明確に区別できる4つの動的状態を同定すること。
• 1次元格子から2次元光学力学的格子への枠組みの一般化を通じて、より広範な応用を可能とすること。

提案手法

• 力学的モードが光子のトンネル位相を変調する3サイト光学力学的アレイをモデル化し、有効なゲージポテンシャルを生成する。
• 力学的振動位相を、光子電流の影響を受ける動的変数として取り扱う。
• 光子と力学的モードの結合したダイナミクスを記述するために平均場近似を用いる。
• 異なるパrameter領域におけるシステムの挙動を分析し、4つの明確に区別できる動的相を同定する。
• 2次元正方形格子への分析を拡張し、高次元における出現するゲージ場ダイナミクスを調査する。
• 調整可能で強い光子-フォノン結合を示す既存の光学力学的結晶プラットフォームを用いた実験的実現を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力学的位相が光子の流れに応じて応答可能になると、有効なゲージ場はどのように変化するか？
• RQ2 光子と力学的モードの間のフィードバックを持つ3サイト光学力学的系では、どのような明確に区別できる動的状態が出現するか？
• RQ3 2次元格子に拡張した場合、ゲージ場ダイナミクスはどのように変化するか？
• RQ4 システムが安定した自己整合的ゲージ場を形成する条件は何か？

主な発見

• 3サイトモデルにおいて、光子の流れと力学的フィードバックの相互作用から4つの明確に区別できる動的状態が同定された。
• 力学的振動位相が光子電流に応じて動的に調整され、時間とともに変化する自己整合的ゲージ場が形成された。
• 光子と力学的モードの相互結合から、安定的で調整可能なゲージ場が実現可能である。
• この枠組みは自然に2次元格子へと一般化され、拡張系における複雑なゲージ場パターンの実現が可能である。
• 提案されたスキームは、強い光子-フォノン結合を示す既存の光学力学的結晶プラットフォームで実現可能である。