[論文レビュー] Boundary effect and dressed states of a giant atom in a topological waveguide

Weijun Cheng, Zhihai Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 44被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、1次元トポロジカル波ガイド（Su-Schrieffer-Heeger（SSH）チェーンでモデル化）に結合されたギガティックアトムの挙動を調査する。ギガティックアトムは周期的境界条件下でも、開放境界を持つSSH系に類似したキラルゼロモードを誘発し、バンド内のエネルギー簡約性を破り、光子分布の空間的対称性を変化させる。このように、トポロジカル光子的環境を設計・制御するためのチューナブルプローブとして機能する。

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.

研究の動機と目的

• ギガティックアトムがトポロジカル光子的波ガイドに結合することで、系のトポロジカル性質がどのように変化するかを調査すること。
• 周期的境界条件下の系において、ギガティックアトムが境界効果を模倣できるかどうかを検討すること。
• ギガティックアトムが波ガイド内の光子状態のエネルギー簡約性および空間的対称性に与える影響を分析すること。
• ギガティックアトムがトポロジカル光子的環境を設計・制御するための制御素子としての可能性を示すこと。

提案手法

• 交互に異なる hopping 観測量を持つSu-Schrieffer-Heeger（SSH）チェーンとして、トポロジカル波ガイドをモデル化すること。
• SSHチェーンの2つの異なるサイトにギガティックアトムを結合し、局所的摂動を引き起こすこと。
• ギガティックアトムと光子チェーンのハイブリッド系を記述するためのハミルトニアン形式を用いること。
• 固有状態およびエネルギー準位を分析し、キラルゼロモードおよび対称性の破れを特定すること。
• 光子励起状態の空間的分布を評価し、ギガティックアトムによって引き起こされる対称性の破れを検証すること。
• 周期的境界条件下の系と従来の開放境界SSHモデルとの間でモードの類似性を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的境界条件下において、ギガティックアトムは、開放境界系に類似したキラルゼロモードを誘発できるか？
• RQ2 ギアティックアトムは、SSHチェーンのエネルギーバンド内に存在するエネルギー簡約性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ギアティックアトムは、ドレスド状態における光子状態の空間的対称性をどのように変化させるか？
• RQ4 ギアティックアトムは、光子的環境のトポロジカル性質をどれほど制御・調整できるか？

主な発見

• ギアティックアトムは、周期的境界条件下でも、従来の開放境界SSHモデルに類似したキラルゼロモードを誘発する。
• ギアティックアトムの局所的結合により、SSHチェーンのエネルギーバンド内に存在するエネルギー簡約性が解消される。
• ドレスド状態における光子分布の空間的対称性は、ギアティックアトムの存在および位置に依存して変化する。
• 系はチューナブルな光子的性質を示しており、ギアティックアトムがトポロジカル環境を変更するための動的プローブとして機能可能であることが示された。