[논문 리뷰] Boundary effect and dressed states of a giant atom in a topological waveguide

Weijun Cheng, Zhihai Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 08.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 44인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 수소 원자보다 훨씬 큰 원자(기계적 원자)가 한 개의 일차원 토폴로지적 파동구조체에 두 개의 위치에 결합된 경우를 연구한다. 파동구조체는 Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 사슬로 모델링된다. 이 논문은 기계적 원자가 주기적 경계 조건 하에서도 열린 경계 조건을 가진 SSH 시스템과 유사한 편향된 영점 모드를 유도함을 보여주며, 밴드 내 에너지 degeneracy를 제거하고 광자의 공간 대칭성을 수정함으로써, 토폴로지적 광학 환경을 설계하는 데 유연하게 제어 가능한 프로브 역할을 함을 밝힌다.

ABSTRACT

The interaction between the quantum emitter and topological photonic system makes the photon behave in exotic ways. We here study the properties of a giant atom coupled to two sites of a one-dimensional topological waveguide, which is described by the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) chain. We find that the giant atom can act as an effective boundary and induce the chiral zero modes, which are similar to those in the SSH model with open boundary, for the waveguide under the periodical boundary. Except for the boundary effect, we also find that the giant atom can lift energy degeneracy inside the energy bands of the SSH chain and adjust spatial symmetry of the photon distributions for the states of the dressed giant atom and waveguide. That is, the giant atom can be used to change the properties of the topological environment. Our work may stimulate more studies on the interaction between matter and topological environment.

연구 동기 및 목표

• 기계적 원자가 토폴로지적 광학 파동구조체에 결합함으로써 시스템의 토폴로지적 성질이 어떻게 변화하는지 탐구하는 것.
• 기계적 원자가 주기적 경계 조건을 가진 시스템에서 전통적인 열린 경계 조건의 효과를 모방할 수 있는지 조사하는 것.
• 기계적 원자가 파동구조체의 광자 상태의 에너지 degeneracy와 공간 대칭성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 기계적 원자가 토폴로지적 광학 환경을 설계하는 데 있어 제어 요소로 활용될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 교환 능력이 번갈아가며 변화하는 Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 사슬로 토폴로지적 파동구조체를 모델링하는 것.
• SSH 사슬의 두 개의 서로 다른 위치에 기계적 원자를 결합하여 局부적인 교란을 유도하는 것.
• 기계적 원자와 광학 사슬의 하이브리드 시스템을 기술하기 위해 해밀토니안 형식을 사용하는 것.
• 고유 상태와 에너지 스펙트럼을 분석하여 편향된 영점 모드와 대칭성 파괴 효과를 식별하는 것.
• 광자 자극의 공간 분포를 평가하여 기계적 원자가 유도하는 대칭성 파괴를 분석하는 것.
• 주기적 경계 조건 하의 시스템을 전통적인 열린 경계 조건을 가진 SSH 모델과 비교하여 모드 유사성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 원자가 주기적 경계 조건 하에서도 토폴로지적 파동구조체에서 편향된 영점 모드를 유도할 수 있는가? 이는 열린 경계 조건의 행동을 모방하는가?
• RQ2 기계적 원자는 SSH 사슬의 에너지 밴드 내에서 존재하는 에너지 degeneracy에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 기계적 원자는 옷을 입힌 상태에서 광자 상태의 공간 대칭성을 어떤 방식으로 수정하는가?
• RQ4 기계적 원자는 얼마나까지 광학 환경의 토폴로지적 성질을 설계하거나 조절하는 데 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 기계적 원자는 주기적 경계 조건 하에서도 기존의 열린 경계 조건을 가진 SSH 모델과 유사한 편향된 영점 모드를 파동구조체에 유도한다.
• 기계적 원자가 국소적으로 결합함으로써 SSH 사슬의 에너지 밴드 내 존재하는 에너지 degeneracy를 제거한다.
• 옷을 입힌 상태에서 광자의 분포 공간 대칭성이 기계적 원자의 존재와 위치에 의해 변화된다.
• 시스템은 조절 가능한 광학적 성질을 나타내며, 이는 기계적 원자가 토폴로지적 환경을 수정하는 데 동적 프로브 역할을 할 수 있음을 시사한다.