[논문 리뷰] Localization of light in subradiant Dicke states: a mobility edge in the imaginary axis

G. L. Celardo, Mattia Angeli외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 15.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 원자 전이 주파수의 불규칙성으로 인해 희박한 영역에서도 3차원 냉각 원자 기체에서 빛이 하향 복사 상태인 Dicke 상태를 통해 국소화될 수 있음을 보여준다. 이는 실수 에너지가 아니라 상태 수명에 의해 국소화가 결정됨을 시사하는 새로운 메커니즘으로, 개방된 양자 시스템에서 스칼라 파동의 국소화를 설명한다. 이는 허수 에너지 축 상의 이동 경계를 포함하며, 국소화 상태와 확산 상태를 분리한다.

ABSTRACT

Anderson localization of light in three dimensions has challenged experimental and theoretical research for the last decades. Localization of light in cold atomic systems presents strong differences from the standard problem of localization since one needs to deal with an open quantum wave problem in presence of long range hopping which induces strong cooperative effects, such as super and subradiance. Contrary to common believe, we show that localization of light is possible in the dilute regime for subradiant states. Additional disorder in atomic transition frequencies leads to the emergence of a mobility edge in the immagibary axis, independent of the real energy. The existence of a critical lifetime above which subradiant Dicke states are localized appears as a general feature of scalar wave localization.

연구 동기 및 목표

• 장거리 힘과 협동 효과가 있는 희박한 개방형 양자 시스템에서 빛의 앤더슨 국소화가 발생할 수 있는지 조사하기.
• 원자 전이 주파수의 불규칙성이 하향 복사 Dicke 상태의 국소화를 가능하게 하는 역할을 규명하기.
• 실수 에너지에 독립적으로 스칼라 파동 국소화를 위한 허수 에너지 축 상의 이동 경계 존재 여부 탐색하기.
• 이러한 시스템에서 국소화가 실수 에너지가 아니라 상태 수명에 의해 결정됨을 확립하기.

제안 방법

• 불규칙한 전이 주파수를 가진 냉각 원자 집합에서 빛의 전파를 모델링하기.
• 장거리 전기 dipole-전기 dipole 상호작용을 고려한 개방형 양자파 문제로 시스템 분석하기.
• 복사 감소 및 수명 증가를 보이는 하향 복사 Dicke 상태에 집중하기.
• 국소화 상태와 확산 상태를 구분하기 위해 에너지 스펙트럼의 허수 부분에 이동 경계 도입하기.
• 비헤르미트 랜덤 매트릭스 모델로 문제를 변환하기 위해 효과적 해밀토니안 기법 사용하기.
• 스펙트럼 분석을 통해 하향 복사 상태가 국소화되기 시작하는 임계 수명 임계값 식별하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위치 공간에서 강한 불규칙성이 없음에도 불구하고 3차원 냉각 원자 시스템에서 빛이 국소화될 수 있는가?
• RQ2 하향 복사 Dicke 상태의 존재가 희박한 영역에서도 국소화를 가능하게 하는가?
• RQ3 실수 에너지에 독립적으로 국소화 상태와 확산 상태를 분리하는 허수 에너지 축 상의 이동 경계가 존재하는가?
• RQ4 하향 복사 Dicke 상태의 수명이 국소화의 시작 조건을 결정하며, 실수 에너지나 공간적 불규칙성보다 중요한가?
• RQ5 허수 축 상의 이동 경계가 개방 시스템에서 스칼라 파동 국소화의 일반적 특성인가?

주요 결과

• 희박한 냉각 원자 기체에서 하향 복사 Dicke 상태는 원자 전이 주파수의 불규칙성으로 인해 앤더슨 국소화를 나타낼 수 있다.
• 허수 에너지 축 상에 이동 경계가 나타나며, 이는 실수 에너지에 관계없이 국소화 상태와 확산 상태를 분리한다.
• 국소화는 하향 복사 상태의 임계 수명에 의해 결정되며, 이 임계값을 초과하면 상태들이 국소화된다.
• 허수 축 상의 이동 경계 존재는 개방 양자 시스템에서 스칼라 파동 국소화의 일반적 특성이다.
• 이 메커니즘은 강한 공간적 불규칙성이 필요 없이 국소화를 가능하게 하며, 기존의 빛 국소화에 대한 통념을 도전한다.