[论文解读] 22aZD-5 Insulator to superfluid transition in coupled photonic cavities in two dimensions

Jize Zhao, Anders W. Sandvik+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2008

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究利用随机级数展开量子蒙特卡洛方法，研究了二维耦合光子腔中莫特绝缘体到超流体的相变。结果揭示了标准的 z=2 临界行为，未发现 z=1 多临界点，挑战了在该系统中将极化激元视为无结构玻色子的合理性。

ABSTRACT

A system of coupled photonic cavities on a two-dimensional square lattice is systematically investigated using the stochastic series expansion quantum Monte Carlo method. The ground state phase diagram contains insulating phases with integer polariton densities surrounded by a superfluid phase. The finite-size scaling of the superfluid density is used to determine the phase boundaries accurately. We find that the critical behavior is that of the generic, density-driven Mott-superfluid transition with dynamic exponent $z=2$, with no special multicritical points with $z=1$ at the tips of the insulating-phase lobes (as exist in the case of the Bose-Hubbard model). This demonstrates a limitation of the description of polaritons as structureless bosons.

研究动机与目标

• 绘制二维耦合光子腔中极化激元相互作用的基态相图。
• 确定该系统中莫特绝缘体到超流体相变的本质。
• 评估该相变是否表现出类似于玻色- Hubbard 模型中的 z=1 多临界点。
• 评估在此背景下将极化激元建模为无结构玻色子的合理性。

提出的方法

• 采用随机级数展开量子蒙特卡洛方法模拟量子多体系统。
• 通过超流密度的有限尺寸标度精确确定相界。
• 分析临界指数，特别是动力学指数 z，以确定相变的普适类。
• 在具有可调的局域相互作用和跃迁的二维正方形晶格上研究该系统。
• 与玻色- Hubbard 模型比较结果，识别临界行为的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维耦合光子腔中，莫特绝缘体到超流体的相变是否在莫特绝缘体条瓣的尖端表现出 z=1 多临界点？
• RQ2 该光子系统中临界点的动力学指数 z 是多少？
• RQ3 该临界行为与标准玻色- Hubbard 模型相比有何异同？
• RQ4 在此系统中，将极化激元描述为无结构玻色子的近似程度如何？

主要发现

• 相变的临界行为与典型的密度驱动莫特-超流相变一致，动力学指数 z=2。
• 未发现莫特绝缘体条瓣尖端存在 z=1 多临界点的证据，与玻色- Hubbard 模型的预测相反。
• 通过有限尺寸标度精确确定了超流密度，实现了相界的精确映射。
• 结果表明，将极化激元视为无结构玻色子在此光子系统中存在根本性局限。