[論文レビュー] Ultrafast topology shaping by a Rabi-oscillating vortex

Lorenzo Dominici, David Colas+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Strong Light-Matter Interactions被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2次元の極子凝縮体におけるラビ振動する渦を用いた超高速トポロジー形状制御を示しており、coherent制御と超高速イメージングにより、成分間の角運動量移動のフェムト秒未塔のダイナミクスが明らかになった。この系は、伝搬軸回りにらせんを描く横断的位相特異性チューブを有する渦を生成し、渦-反渦対の生成と動的サブフィールドバランスを通じて角運動量の保存を示している。

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.

研究の動機と目的

• ラビ振動場を用いた量子渦におけるトポロジカル構造の超高速制御を探索すること。
• 2成分極子凝縮体間の角運動量移動ダイナミクスを調査すること。
• 伝搬方向にらせんを描く位相特異性チューブを特徴とする、新たな光子状態「ラビらせん渦」の実現とイメージングを行うこと。
• 動的サブフィールドバランスと渦-反渦対生成を通じて角運動量保存を実証すること。
• ラジオ、ライダー、光トラッピングシステムを含む、より広範なプラットフォームへの概念の拡張を図ること。

提案手法

• 強く結合された励起子と光子からなる2次元ラビ振動場を用いて、量子渦を生成すること。
• 場の1つの成分をコherently励起することで、単一の凝縮体に渦を開始すること。
• 超高速イメージング技術を用いて、渦の進化と角運動量移動のフェムト秒未塔のダイナミクスを捉えること。
• 光パケットの時空間的進化を分析し、位相特異性とそのらせん軌道を同定すること。
• 2成分場の連立方程式を用いて、振動的渦度移動を記述する系のモデル化を行うこと。
• 角運動量保存のメカニズムとして、渦-反渦対の生成を観測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子系における2つのラビ結合凝縮体成分間で、角運動量がどのように動的に再分配されるか？
• RQ2 位相特異性チューブが、超高速光パケットのトポロジーをどのように形作るか？
• RQ3 フェムト秒未塔のラビ振動において、渦-反渦対の生成が角運動量保存を維持できるか？
• RQ4 ラビ振動する渦の時空間的ダイナミクスは、フェムト秒未塔時間スケールでどのようにプリセッシングジャイロに類似しているか？
• RQ5 ラビらせん渦状態は、他の結合振動子プラットフォームへどの程度一般化可能か？

主な発見

• ラビ振動する渦状態は、伝搬軸回りにらせんを描く内側の位相特異性チューブを有するユニークなトポロジーを示している。
• 超高速イメージングにより、ジャイロのプリセッションに類似したフェムト秒未塔の渦度移動ダイナミクスが明らかになった。
• サブフィールド寄与のバランスと渦-反渦対の生成を通じて、角運動量が保存されている。
• 横断的平面における位相特異性は、超光速で回転可能であり、通常の速度制限を覆す。
• この系は、超高速回転する渦格子を支持しており、原子凝縮体の駆動や摂動に利用可能である可能性がある。
• ラビらせん渦は、レーダー、ライダー、および自由空間光通信を含む多様なプラットフォームに適用可能な、トポロジー形状制御の普遍的原理を表している。