[논문 리뷰] Non-equilibrium phase transition in driven-dissipative nonlinear cavity arrays

Andrea Tomadin, Vittorio Giovannetti외 5명|arXiv (Cornell University)|2009. 04. 28.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 상호작용하는 광자를 수용하는 비평형 상태의 비선형 캐비티 어레이에서 발생하는 비평형 상전이를 조사한다. 평균장 접근법을 사용하여, 몰트-절연체 유사 상태에서 초유체 상태로의 전이를 입증하였으며, 광자 손실이 증가할수록 임계 터널링률이 증가함을 보였다. 전이는 초기 상태 준비 방식에 영향을 받지 않으며, 캐비티 방출의 이차 상관관계를 통해 열적 평형을 필요로 하지 않고도 상도를 결정할 수 있다.

ABSTRACT

We analyze the non-equilibrium dynamics of a gas of interacting photons in an array of coupled dissipative nonlinear cavities driven by a pulsed external coherent field. Using a mean-field approach, we show that the system exhibits a phase transition from a Mott-insulator-like to a superfluid regime. For a given single-photon nonlinearity, the critical value of the photon tunneling rate at which the phase transition occurs increases with the increasing photon loss rate. We checked the robustness of the transition by showing its insensitivity to the initial state prepared by the the pulsed excitation. We find that the second-order coherence of cavity emission can be used to determine the phase diagram of an optical many-body system without the need for thermalization.

연구 동기 및 목표

• 상호작용하는 광자가 포함된 결합된 비선형 캐비티 시스템에서 비평형 상전이를 조사하기.
• 열적 평형이 존재하지 않는 조건에서 몰트-절연체 유사 상태에서 초유체 상태로의 전이가 발생하는 조건을 규명하기.
• 펄스 입력에 의한 초기 상태 준비에 대한 전이의 강건성 평가하기.
• 열적 평형을 요구하지 않고도 광학 다체계의 상도를 식별하는 데에 이차 상관관계를 사용할 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• 구동-소산 비선형 캐비티 어레이의 비평형 동역학을 모델링하기 위해 평균장 접근법을 사용한다.
• 시스템은 펄스 외부 일관성 필드에 의해 구동되어 비평형 조건을 시뮬레이션한다.
• 광자 터널링과 단일 광자 비선형성은 시스템을 지배하는 효과적 해밀토니안의 핵심 매개변수이다.
• 비선형성과 소산의 영향을 분석하기 위해 광자 손실률을 체계적으로 변화시킨다.
• 시스템의 상을 특성화하기 위해 캐비티 방출의 이차 상관관계를 계산한다.
• 펄스 입력에 의한 초기 상태를 다양하게 변화시켜 전이의 강건성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동-소산 비선형 캐비티 어레이에서 상호작용하는 광자가 있는 조건에서 발생하는 비평형 상전이는 무엇인가?
• RQ2 광자 손실률은 몰트-절연체에서 초유체로의 전이에 대한 임계 터널링률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 펄스 입력에 의한 다양한 초기 상태에 대해 전이는 강건한가?
• RQ4 열적 평형을 요구하지 않고도 캐비티 방출의 이차 상관관계가 상도를 식별하는 데 신뢰할 수 있는 탐사 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 펄스 입력 조건에서 몰트-절연체 유사 상태에서 초유체 상태로의 비평형 상전이가 발생한다.
• 광자 손실률이 증가할수록 전이에 대한 임계 광자 터널링률이 증가한다.
• 펄스 입력에 의한 초기 상태에 관계없이 전이가 강건하게 유지된다.
• 캐비티 방출의 이차 상관관계는 열적 평형을 요구하지 않고도 상도를 매핑하는 데 효과적인 방법을 제공한다.
• 전이는 평균장 영역에서 광자 터널링, 비선형성, 소산 간의 상호작용에 의해 지배된다.