[논문 리뷰] Quantum optical torque on a two-level system near a photonic topological material

S. Ali Hassani Gangaraj, Mário G. Silveirinha외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 17.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 히젠베르크 운동 방정식과 마르코프 근사법을 사용하여 비균일하고 소산성이며 위상적 성질을 가진 광학 재료 근처의 이준위 원자에 작용하는 일반적인 양자 광학 토크 이론을 수립한다. 이론은 공명(자발적 방출) 및 비공명(카시미르 유형) 토크가 모두 시스템의 그린 함수로부터 기인하며, 시간역학 대칭이 깨진 위상적 재료의 단방향 표면파가 비자명한 토크를 생성하는 데 핵심적인 역할을 함을 드러낸다. 이는 원자 편광 정렬을 가능하게 하며, 라이드버그 원자와 초전도 큐비트를 활용한 실험적 검증 가능 예측을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비균일하고 소산성이며 비상호작용 성질을 가진 전자기 환경과 상호작용하는 이중준위 원자에 대한 일반적 양자 광학 토크 이론을 수립하기 위해.
• 시스템의 그린 함수를 통한 자발적 방출 및 진공 카시미르 유형 상호작용을 통해 광학 토크의 기원을 규명하기 위해.
• 시간역학 대칭이 깨진 위상적 광학 재료에서 발생하는 단방향 표면파가 비자명한 광학 토크를 생성하는 데 수행하는 역할을 조사하기 위해.
• 토크 작용으로 인해 원자의 양자 상태가 수렴하는 평형 편광 상태를 규명하기 위해.
• 냉각된 라이드버그 원자와 초전도 큐비트를 이용해 위상적 광학 구조 근처에서 실험적으로 검증 가능한 예측을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이중준위 원자가 임의의 初기 상태에 있을 때 광학 토크를 히젠베르크 운동 방정식(HEM)을 사용해 수립하기 위해.
• 비마르코프 효과를 다루고 시간 국소적 동역학을 유도하기 위해 마르코프 근사를 적용하기 위해.
• 공명 및 비공명 토크 기여를 모두 시스템의 그린 함수에 대해 명시적으로 표현하기 위해.
• 분산, 소산, 비상호작용성, 이방성 등을 포함한 일반적인 선형 구성 관계로 이론을 확장하기 위해.
• 시간역학 대칭이 깨진 위상적 광학 재료에 이론을 적용하여, 표면에서의 단방향 표면 모드가 주요 에너지 손실 채널이 되도록 하기 위해.
• 물리적 통찰을 얻기 위해 준정적 근사를 통해 토크에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균일한 전자기 환경에서 이중준위 원자에 작용하는 광학 토크는 공명 및 비공명 기여로 어떻게 분해되는가?
• RQ2 시간역학 대칭이 깨진 위상적 광학 재료에서 단방향 표면파가 비자명한 광학 토크를 생성하는 데 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 광학 토크 작용으로 인해 원자의 편광은 어떻게 변화하며, 평형 정렬 상태는 무엇인가?
• RQ4 시스템의 그린 함수와 구성 관계는 토크 크기와 방향을 어떻게 결정하는가?
• RQ5 이론적 예측은 냉각된 라이드버그 원자 또는 위상적 광학 구조 근처의 초전도 큐비트를 사용해 실험적으로 검증 가능한가?

주요 결과

• 광학 토크는 두 가지 별개의 기여로 구성되며, 자발적 방출과 관련된 공명 부분과 진공 카시미르 유형 상호작용으로 인한 비공명 부분으로 나뉜다.
• 두 토크 성분 모두 시스템의 그린 함수에 대해 명시적으로 표현되어 있어, 임의의 선형, 비균일, 소산성 매질에 적용 가능하다.
• 시간역학 대칭이 깨진 위상적 광학 재료에서는 주로 표면에서의 단방향 표면파로 에너지 손실 채널이 결정된다.
• 단방향 표면파가 비자명한 광학 토크의 주요 원천이며, 원자 편광의 선호 정렬 방향을 유도한다.
• 준정적 근사를 통해 토크에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여 표면파의 기여를 물리적 메커니즘으로서 분석할 수 있는 분석적 통찰을 제공한다.
• 이방성 토크 작용으로 인해 원자의 편광은 특정 평형 방향으로 자발적으로 정렬되며, 이는 위상적 표면 모드에 의해 유도되는 양자역학적 정렬 메커니즘을 시사한다.