[논문 리뷰] Dynamical Gauge Fields in Optomechanics

Stefan Walter, Florian Marquardt|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 22.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광기계 시스템에서 기계적 진동 위상이 광자를 위한 효과적인 자장을 생성하고, 그로 인해 광자 흐름에 반응하는 동적 인공 게이지장을 제안한다. 삼점 모델에서 네 가지 다른 동적 영역이 나타나며, 이 토대는 2차원 격자로 확장되어 광기계 결정을 통해 조절 가능하고 상호 일관된 게이지장을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Artificial gauge fields for neutral particles such as photons, recently attracted a lot of attention in various fields ranging from photonic crystals to ultracold atoms in optical lattices to optomechanical arrays. Here we point out that, among all implementations of gauge fields, the optomechanical setting allows for the most natural extension where the gauge field becomes dynamical. The mechanical oscillation phases determine the effective artificial magnetic field for the photons, and once these phases are allowed to evolve, they respond to the flow of photons in the structure. We discuss a simple three-site model where we identify four different regimes of the gauge-field dynamics. Furthermore, we extend the discussion to a two-dimensional lattice. Our proposed scheme could for instance be implemented using optomechanical crystals.

연구 동기 및 목표

• 인공 게이지장의 자연스러운 확장인, 정적가 아니라 동적인 게이지장으로서의 광기계 시스템에서의 게이지장을 탐색한다.
• 광자를 위한 효과적인 자장을 결정하는 기계적 진동 위상이 광자 흐름에 어떻게 반응하여 변화하는지 이해한다.
• 최소한의 삼점 광기계 모델에서 발생하는 명백한 동적 영역을 규명한다.
• 더 넓은 응용을 위해 이 틀을 2차원 광기계 격자로 일반화한다.

제안 방법

• 기계 모드가 광자 터널링 위상을 조절하여 효과적인 게이지 포텐셜을 만드는 삼점 광기계 어레이를 모델링한다.
• 광자 전류의 영향을 받는 기계적 진동 위상을 동적 변수로 간주하여 그 진화를 다룬다.
• 광자와 기계 모드의 결합된 동역학을 기술하기 위해 평균장 근사를 사용한다.
• 다양한 매개변수 영역에서 시스템의 거동를 분석하여 네 가지 명백한 동적 상을 식별한다.
• 고차원에서의 잠재적 게이지장 역학을 탐색하기 위해 2차원 정사각형 격자로 분석을 확장한다.
• 조절 가능한 결합과 기계 진동자와 함께 사용 가능한 광기계 결정을 이용한 실험적 실현 가능성을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 위상이 광자 흐름에 반응하도록 允가될 경우, 효과적인 게이지장은 어떻게 진화하는가?
• RQ2 광자와 기계의 피드백이 존재하는 삼점 광기계 시스템에서 어떤 명백한 동적 영역이 나타나는가?
• RQ3 2차원 격자로 확장할 경우 게이지장 역학은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 시스템이 안정적이고 상호 일관된 게이지장 형성을 보일 수 있는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 삼점 모델에서 광자 흐름과 기계 피드백의 상호작용으로 인해 네 가지 명백한 동적 영역이 식별되었다.
• 기계적 진동 위상은 광자 전류에 따라 동적으로 조정되어 시간에 따라 변화하는 상호 일관된 게이지장을 생성한다.
• 광자와 기계 모드 간의 상호 결합으로 인해 안정적이고 조절 가능한 게이지장이 형성된다.
• 이 틀은 자연스럽게 2차원 격자로 일반화되어 확장된 시스템에서 복잡한 게이지장 패턴을 가능하게 한다.
• 제안된 방법은 강한 광자-음향파 상호작용을 갖는 기존의 광기계 결정 플랫폼을 통해 실현 가능하다.