[論文レビュー] Quantum optical torque on a two-level system near a photonic topological material

S. Ali Hassani Gangaraj, Mário G. Silveirinha+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、ハイゼンベルクの運動方程式とマコフ近似を用いて、不均一で散乱・非再帰的かつトポロジカルな光子材料に近接する二準位原子における光学的トルクの一般量子理論を構築する。両方のトルク成分、すなわち共鳴（自己放射）と非共鳴（カシミール型）のトルクが、系のグリーン関数から生じることを明らかにした。時間反転対称性が破れたトポロジカル材料における一方向性表面波が、非自明なトルクを生成する上で中心的な役割を果たし、偏光の整列を可能にするとともに、リュードバーグ原子および超伝導キュービットを用いた実験的検証が可能な予測を提示する。

ABSTRACT

We investigate the quantum optical torque on an atom interacting with an inhomogeneous electromagnetic environment described by the most general linear constitutive relations. The atom is modeled as a two-level system prepared in an arbitrary initial energy state. Using the Heisenberg equation of motion (HEM) and under the Markov approximation, we show that the optical torque has a resonant and non-resonant part, associated respectively with a spontaneous-emission process and Casimir-type interactions with the quantum vacuum, which can both be written explicitly in terms of the system Green function. Our formulation is valid for any inhomogeneous, dissipative, dispersive, nonreciprocal, and bianisotropic structure. We apply this general theory to a scenario in which the atom interacts with a photonic topological material with broken time-reversal symmetry. In this case, the main decay channel of the atom energy is represented by the unidirectional surface waves launched on the topological material-vacuum interface. To provide relevant physical insight into the role of these unidirectional surface waves in the emergence of non-trivial optical torque, we derive closed-form expressions for the induced torque under the quasi-static approximation. Finally, we investigate the equilibrium states of the atom polarization, along which the atom spontaneously tends to align due to the action of the torque. Our theoretical predictions may be experimentally tested with cold Rydberg atoms and superconducting qubits near a photonic topological material. We believe that our general theory may find broad application in the context of nano-mechanical and bio-mechanical systems.

研究の動機と目的

• 任意の不均一で散乱・非再帰的な電磁環境と相互作用する二準位原子における光学的トルクの一般量子理論の構築。
• 系のグリーン関数を用いて、自己放射と真空中カシミール型相互作用に起因する光学的トルクの起源の特定。
• 時間反転対称性が破れた光子的トポロジカル材料における一方向性表面波が、非自明な光学的トルクを生成する役割を調査。
• トルクの作用によって原子の量子状態が収束する平衡偏光状態の特定。
• 冷たいリュードバーグ原子および超伝導キュービットを用いた、トポロジカル光子的構造に近接する系における実験的検証可能な予測の提供。

提案手法

• 任意の初期状態にある二準位原子に対する光学的トルクを、ハイゼンベルクの運動方程式（HEM）を用いて定式化。
• 非マークフ・効果を扱い、時間局所的ダイナミクスを導出するためのマコフ近似の適用。
• 共鳴および非共鳴トルク成分を、系のグリーン関数を明示的に用いて表現。
• 分散、散乱、非再帰性、バイアノトロピーを含む一般線形物性関係への形式の拡張。
• 時間反転対称性が破れた光子的トポロジカル材料を適用し、界面における一方向性表面モードが主要なエネルギー放出チャネルを占める状況を分析。
• 準静的近似のもとでトルクの閉形式表現を導出し、表面波の役割に関する物理的洞察を獲得。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の不均一な電磁場環境下で、二準位原子の光学的トルクは、共鳴成分と非共鳴成分にどのように分解されるか？
• RQ2 時間反転対称性が破れた光子的トポロジカル材料における一方向性表面波が、非自明な光学的トルクを生成する上で果たす役割は何か？
• RQ3 光学的トルクの作用によって原子の偏光はどのように変化し、どのような平衡整列状態に到達するか？
• RQ4 系のグリーン関数および物性関係が、トルクの大きさと方向をどのように決定するか？
• RQ5 理論的予測は、トポロジカル光子的構造に近接する冷たいリュードバーグ原子または超伝導キュービットを用いて実験的に検証可能か？

主な発見

• 光学的トルクは、自己放射に起因する共鳴成分と、カシミール型真空中相互作用に起因する非共鳴成分という二つの明確な寄与から成る。
• 両方のトルク成分が、系のグリーン関数を明示的に用いて表現可能であり、任意の線形的・不均一的・散乱的媒体への応用が可能となる。
• 時間反転対称性が破れた光子的トポロジカル材料では、主要なエネルギー損失チャネルが界面における一方向性表面波への放射である。
• 一方向性表面波が非自明な光学的トルクの主因であり、原子の偏光が特定の方向に自発的に整列する原因となる。
• 準静的近似のもとでトルクの閉形式表現が導出され、表面波の物理的役割に関する解析的洞察が得られた。
• 非等方的トルクの作用により、原子の偏光は特定の平衡方向に自発的に整列し、トポロジカル表面モードによって駆動される量子力学的整列機構が示唆される。