[論文レビュー] Localization of light in subradiant Dicke states: a mobility edge in the imaginary axis

G. L. Celardo, Mattia Angeli+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、原子遷移周波数の不規則性のおかげで、希薄な状態でも三次元の冷たい原子ガスにおいて光がサブラジエントDyke状態を介して局在化することを示している。これは、虚数エネルギー軸上に局在状態と拡散状態を分ける移動端が存在することを示しており、局在化が実エネルギーに依存するのではなく状態の寿命に依存することを示しており、開放的量子系におけるスカラー波の局在化の新しいメカニズムを明らかにしている。

ABSTRACT

Anderson localization of light in three dimensions has challenged experimental and theoretical research for the last decades. Localization of light in cold atomic systems presents strong differences from the standard problem of localization since one needs to deal with an open quantum wave problem in presence of long range hopping which induces strong cooperative effects, such as super and subradiance. Contrary to common believe, we show that localization of light is possible in the dilute regime for subradiant states. Additional disorder in atomic transition frequencies leads to the emergence of a mobility edge in the immagibary axis, independent of the real energy. The existence of a critical lifetime above which subradiant Dicke states are localized appears as a general feature of scalar wave localization.

研究の動機と目的

• 長距離ホッピングと協同効果を有する希薄で開放的な量子系において、光のアンドリュースン局在化が生じるかどうかを調査すること。
• 原子遷移周波数の不規則性がサブラジエントDyke状態の局在化を可能にする役割を特定すること。
• 実エネルギーに依存せず虚数エネルギー軸上に移動端が存在するかを検討し、スカラー波の局在化を明らかにすること。
• このような系において、局在化が実エネルギーではなく状態の寿命によって支配されることを確立すること。

提案手法

• 不規則な遷移周波数を有する三次元冷たい原子系における光の伝播をモデル化すること。
• 長距離双極子-双極子相互作用を有するオープンな量子波動問題として系を解析すること。
• 放射率が抑制され、寿命が延長されるサブラジエントDyke状態に注目すること。
• 局在状態と拡散状態を区別するため、エネルギースペクトルの虚数部に移動端を導入すること。
• 有効ハミルトニアン技術を用いて問題を非エルミート的ランダム行列モデルに写像すること。
• スペクトル解析を用いて、サブラジエント状態が臨界寿命を超えると局在化することを同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位置空間における強い不規則性がなくても、三次元冷たい原子系において光が局在化可能か？
• RQ2 サブラジエントDyke状態の存在が、希薄な状態でも局在化を可能にするか？
• RQ3 実エネルギーに依存せず、虚数エネルギー軸上に局在状態と拡散状態を分ける移動端が存在するか？
• RQ4 サブラジエントDyke状態の寿命が、局在化の始まりを決定づけるのか、それとも実エネルギーまたは空間的不規則性に依存するのか？
• RQ5 虚数軸上に移動端が出現することは、開放系におけるスカラー波の局在化の一般的特徴であるか？

主な発見

• 希薄な冷たい原子ガスにおけるサブラジエントDyke状態は、原子遷移周波数の不規則性のおかげでアンドリュースン局在化を示すことができる。
• 虚数エネルギー軸上に移動端が出現し、実エネルギーに依存せず局在状態と拡散状態を分離する。
• サブラジエント状態の臨界寿命が、局在化の有無を決定づけ、それ以上の寿命では状態が局在化する。
• 虚数軸上に移動端が存在することは、開放的量子系におけるスカラー波の局在化の一般的特徴である。
• このメカニズムにより、強い空間的不規則性がなくても局在化が可能となり、従来の光の局在化に関する見解に挑戦する。