[논문 리뷰] Ultrafast topology shaping by a Rabi-oscillating vortex

Lorenzo Dominici, David Colas외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 08.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 차원 폴라리톤 응축체에서 라비-진동하는 비틀림을 통해 초고속 위상 구조 형성의 가능성을 보여주며, 여기서 간섭가능 제어와 초고속 영상 촬영을 통해 구성 요소 간 각운동량 이행의 피코초 이하 동역학을 규명한다. 이 시스템은 전파 축을 따라 빛나는 진동하는 위상 특이성 관을 형성하는 소용돌이 모양의 비틀림을 생성하며, 비틀림-반비틀림 쌍 생성과 동적 하위필드 균형을 통해 각운동량 보존을 나타낸다.

ABSTRACT

We realize a new kind of ultrafast swirling vortices, characterized by one or more inner phase singularity tubes which spiral around their axis of propagation. This is achieved by creating a quantum vortex in one component of a two-dimensional Rabi-oscillating field of polaritons, made of strongly-coupled excitons and photons. Coherent control and ultrafast imaging allow us to initiate and follow the dynamics of the oscillatory vorticity transfer between two condensates, much alike imaging a sub-picosecond precessing gyroscope. The dynamics in time and space of this highly structured photonic packet exhibits a peculiar phenomenology of conservation of angular momentum, through balance of the different subfields and creation of vortex-antivortex pairs. The rartex, or Rabi spiraling vortex state, represents a novel concept of topology shaping, a universal principle extendible to other platforms of coupled oscillators, from mechanical ones to different size and time ranges of electromagnetics, to be used, e.g., in radar or lidar systems, laser writing and free space communications. Ultrafast rotating vortex lattices represent a natural extension, that could be applied to drive or perturb atomic condensates or for other schemes of optical trapping, while the associated phase singularities can even be made to rotate superluminally in the transverse plane.

연구 동기 및 목표

• 라비-진동하는 필드를 이용한 양자 비틀림에서 위상 구조의 초고속 제어를 탐색한다.
• 이중성분 폴라리톤 응축체 간 각운동량 이행의 동역학을 조사한다.
• 전파 방향을 따라 빛나는 위상 특이성 관을 특징으로 하는 새로운 광학 상태인 라비 나선형 비틀림을 실현하고 영상 촬영한다.
• 비틀림-반비틀림 쌍 생성과 동적 하위필드 균형을 통해 각운동량 보존을 입증한다.
• 이 개념을 레이더, 라이다 및 광학 포획 시스템을 포함한 더 넓은 플랫폼으로 확장한다.

제안 방법

• 강하게 결합된 엑시톤과 광자를 포함한 이중성분 라비-진동 필드를 활용하여 양자 비틀림을 생성한다.
• 필드의 한 성분을 간섭가능하게 자극하여 단일 응축체에서 비틀림을 유도한다.
• 비틀림 진화와 각운동량 이행의 피코초 이하 동역학을 촬영하기 위해 초고속 영상 기법을 활용한다.
• 광학 패킷의 시공간 진화를 분석하여 위상 특이성과 그 나선형 궤적을 규명한다.
• 이중성분 필드에 대한 연립 방정식을 모델링하여 진동하는 회전 운동 이행을 기술한다.
• 시스템 내 각운동량 보존을 위한 메커니즘으로 비틀림-반비틀림 쌍 생성을 관찰한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 시스템에서 두 라비-결합된 응축체 성분 간 각운동량이 초고속으로 어떻게 재분배되는가?
• RQ2 위상 특이성 관이 초고속 광학 패킷의 위상 구조를 어떻게 형성하는가?
• RQ3 비틀림-반비틀림 쌍 생성이 초고속 라비 진동 중 각운동량 보존을 유지하는 데 기여하는가?
• RQ4 라비-진동하는 비틀림의 시공간 동역학은 피코초 이하 시간 스케일에서 어떤 방식으로 진동하는 자이로스코프와 유사한가?
• RQ5 라비 나선형 비틀림 상태는 다른 결합 진동자 플랫폼으로 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 라비-진동하는 비틀림 상태는 전파 축을 따라 빛나는 내부 위상 특이성 관을 지닌 고유한 위상 구조를 나타낸다.
• 초고속 영상 촬영을 통해 비틀림 이행의 피코초 이하 동역학이 진동하는 자이로스코프와 유사하게 드러난다.
• 하위필드 기여의 균형과 비틀림-반비틀림 쌍 생성을 통해 각운동량이 보존된다.
• 횡방향 평면 내 위상 특이성은 초광속으로 회전할 수 있으며, 횡방향에서 전통적인 속도 제한을 초월한다.
• 이 시스템은 초고속로 돌고 있는 비틀림 격자를 지원하며, 이는 원자 응축체를 구동하거나 교란하는 데 사용될 수 있다.
• 라비 나선형 비틀림은 레이더, 라이다 및 자유공간 광통신 플랫폼을 포함한 다양한 플랫폼에 적용 가능한 위상 구조 형성의 보편 원리이다.