[논문 리뷰] Controllable non-reciprocal transmission of single photon in Mobius structure

Hai‐Yuan Zhu, Xin‐Yuan Hu외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 11.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 43인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 무한한 일차원 사슬에 연결된 몰리우스 링 구조를 가진 비재귀적 단일 광자 전송 장치를 제안한다. 이 구조에는 이중준위 원자가 한 공진기 내에 임베딩되어 있으며, 그린 함수 방법을 사용하여 원자가 양자 스위치로 작용함을 입증한다. 이는 전방 및 후방 방향 간에 광자 전송이 크게 다름을 가능하게 하여, 외부 자기장 없이도 조절 가능한 비재귀적 전송을 실현한다. 이는 양자 비재귀 장치에 유망한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

We propose a controllable non-reciprocal transmission model. The model consists of a Mobius ring, which is connected with two one-dimensional semi-infinite chains, and with a two-level atom located inside one of the cavities of the Mobius ring. We use the method of Green function to study the transmittance of a single photon through the model. The results show that the non-reciprocal transmission can be achieved in this model and the two-level atom can behave as a quantum switch for the non-reciprocal transport of the single photon. This controllable non-reciprocal transmission model may inspire new quantum non-reciprocal devices.

연구 동기 및 목표

• 위상적 몰리우스 링 구조를 이용해 단일 광자를 위한 조절 가능한 비재귀적 전송 시스템을 설계하는 것.
• 몰리우스 링 공진기 내에 임베딩된 이중준위 원자가 광자 전송 방향성에 어떻게 영향을 주는지 조사하는 것.
• 외부 자기장이나 비선형 물질에 의존하지 않고도 강한 비재귀성을 달성할 수 있는지 탐색하는 것.
• 위상 광학과 양자 에미터를 기반으로 한 양자 비재귀 장치에 대한 이론적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 시스템은 2N개의 공진기를 가진 몰리우스 링과 두 개의 무한한 일차원 사슬로 구성되며, 타이트버딩 해밀토니안으로 모델링된다.
• 몰리우스 링 해밀토니안은 고유 링 내 결합(ξ), 링 간 결합(V), 그리고 전통적인 주기성을 깨뜨리는 비주기적 경계 조건(aN = b0, bN = a0)을 포함한다.
• 이중준위 원자가 한 공진기(an)에 임베딩되어 있으며, 공진기 장과의 제이너스-커밍스 타입 상호작용으로 모델링된다.
• 단일 광자 전송 계수를 계산하기 위해 그린 함수 방법이 사용된다.
• 비재귀성 유도에 있어 원자의 역할을 분리하기 위해, 이중준위 원자가 존재하는 경우와 없는 경우의 두 상황을 분석한다.
• 지역 유니터리 변환을 통해 도입된 비자명한 위상 이동(ϕj = j·2π/N)을 통해 몰리우스 링의 에너지 스펙트럼을 계산하여 위상적 밴드 구조를 밝혀낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 몰리우스 링 구조는 그 위상적 성질 덕분에 비재귀적 단일 광자 전송을 지원할 수 있는가?
• RQ2 몰리우스 링의 공진기 내에 존재하는 이중준위 원자는 광자 전송의 방향성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 이중준위 원자가 비재귀적 전송을 제어하기 위해 양자 스위치로 작용할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 몰리우스 링에서 비주기적 경계 조건이 광자 전달의 방향성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 외부 자기장이나 비선형 물질에 의존하지 않고도 시스템이 강한 비재귀성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 몰리우스 링 구조는 비주기적 경계 조건으로 인해 본질적으로 재귀성을 깨뜨리며, 원자가 없더라도 비대칭 전달이 발생한다.
• 링 내에 임베딩된 이중준위 원자는 양자 스위치로 작용한다: 원자가 자극 상태에 있을 경우 비재귀적 전달이 크게 향상되며, 전방과 후방 방향 간 전달률 차이가 최대 50%에 이르게 된다.
• 전달 스펙트럼은 왼쪽에서 오른쪽으로의 입사와 오른쪽에서 왼쪽으로의 입사에 대해 전달 피크 위치와 진폭에 명확한 비대칭성을 보이며, 비재귀성을 확인한다.
• 비재귀성은 원자의 준위 인구 분포를 통해 조절 가능하다: 원자가 공진기 모드와 공명 상태에 있을 경우 시스템은 강력한 방향성 제어를 보인다.
• 몰리우스 링의 에너지 스펙트럼은 비자명한 위상적 밴드 구조와 밴드 갭을 보이며, 이는 방향성 전달에 기여하는 강건한 에지 모드를 지원한다.
• 그린 함수 접근법은 외부 자기장 없이도 전달 진폭 T_L→R ≠ T_R→L 이라는 비재귀적 행동을 성공적으로 기록한다.