[論文レビュー] Topological dynamics in an optomechanical system with highly non-degenerate modes

Haitan Xu, David L. Mason+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非ヒルベルト的光力学系を提案し、その周波数差が線幅および結合率の1000倍以上にのぼる、極めて非簡並な2つの力学モード間で、光力学的結合によって誘導される「仮想特異的点」を通じて、トポロジカルエネルギー移動を実現する。この方式は、近似的に簡並なモードを必要とせず、ロバストで断熱的なモード移動を実現し、非ヒルベルト的系のトポロジカル制御をより広い分野に拡張する。

ABSTRACT

Non-Hermitian systems exhibit phenomena that are qualitatively different from those of Hermitian systems and have been exploited to achieve a number of ends, including the generation of exceptional points, nonreciprocal dynamics, non-orthogonal normal modes, and topological operations. However to date these effects have only been accessible with nearly-degenerate modes (i.e., modes with frequency difference comparable to their linewidth and coupling rate). Here we demonstrate an optomechanical scheme that extends topological control to highly non-degenerate modes of a non-Hermitian system. Specifically, we induce a "virtual exceptional point" between two mechanical modes whose frequencies differ by >10^3 times their linewidth and coupling rate, and use adiabatic topological operations to transfer energy between these modes. This scheme can be readily implemented in many physical systems, potentially extending the utility of non-Hermitian dynamics to a much wider range of settings.

研究の動機と目的

• 近似的に簡並なモードの領域を超えて、非ヒルベルト的系におけるトポロジカルダイナミクスを拡張すること。
• 従来の非ヒルベルト的系におけるトポロジカル操作が、線幅および結合率と同程度の周波数差を持つモードを必要としていたという制限を克服すること。
• 極めて非簡並な力学モード間で仮想特異的点を誘導可能な実用的な光力学的プラットフォームを提示すること。
• 設計された結合を用いて、そのようなモード間で断熱的かつトポロジカルに保護されたエネルギー移動を可能にすること。

提案手法

• 線幅および結合率の1000倍以上にのぼる周波数差を持つ2つの力学モードを有する光力学系を設計する。
• 光力学的結合を用いて、特異的点のダイナミクスを模倣する非ヒルベルト的有効ハミルトニアンを誘導する。
• 光力学的結合強度およびデチューニングを調整することで、非直交な正規モードを生成し、仮想特異的点を導入する。
• パrameter空間における断熱的循環的遷移を実装し、2つの力学モード間でのエネルギー移動を実現する。
• 断熱的サイクルのトポロジカルなロバスト性を活用して、パrameterの変動に対して耐性を持つようにする。
• 有効非ヒルベルト的ハミルトニアンおよびその固有モードの理論的モデリングと解析を通じて、この方式を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数分裂が線幅および結合率をはるかに上回る極めて非簡並なモードを持つ非ヒルベルト的系において、トポロジカルエネルギー移動を達成できるか？
• RQ2 このような状態で、仮想特異的点をどのように設計し、非可逆的またはトポロジカルなダイナミクスを可能にするか？
• RQ3 断熱的遷移が、非ヒルベルト的光力学系における非簡並モード間のロバストなエネルギー移動をどのように可能にするか？
• RQ4 モード間の周波数差が大きくても、エネルギー移動プロセスのトポロジカル保護が維持可能か？
• RQ5 この方式の実用的実装上の制約および実際の光力学的プラットフォームにおけるスケーラビリティは何か？

主な発見

• 周波数差が線幅および結合率の1000倍以上にのぼる2つの力学モード間で、仮想特異的点が実現された。
• パrameter空間における断熱的循環的遷移により、非簡並モード間でロバストでトポロジカルに保護されたエネルギー移動が可能となった。
• 非ヒルベルト的ダイナミクスは、光力学的結合によって誘導された非直交な正規モードおよび非対称な増幅/減衰プロファイルによって現れた。
• 断熱的サイクルのトポロジカル性のおかげで、パrameterの変動に対してもロバストであることが確認された。
• 理論的枠組みにより、モードの簡並性が欠如してもトポロジカル制御が可能であることが示され、非ヒルベルト的系の応用範囲が著しく拡大された。
• この手法は、光子的、超伝導的、および可調節結合を有する機械的プラットフォームを含む、他の物理系に対しても一般化可能である。