[论文解读] 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 6

一句话总结

本文研究了耦合到一维拓扑波导中两个位点的巨原子，该波导由Su-Schrieffer-Heeger（SSH）链模型描述。研究结果表明，在周期性边界条件下，巨原子可诱导出类似于开放边界SSH系统的手性零能模，打破能带内的简并，并改变光子分布的空间对称性，从而作为可调探针，用于构建拓扑光子环境。

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.

研究动机与目标

• 探究耦合到拓扑光子波导的巨原子如何改变系统的拓扑特性。
• 研究巨原子是否能在具有周期性边界条件的系统中模拟边界效应。
• 分析巨原子对波导中光子态能级简并性和空间对称性的影响。
• 展示巨原子作为控制元件在构建和调控拓扑光子环境方面的潜力。

提出的方法

• 将拓扑波导建模为具有交替跃迁幅度的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）链。
• 将巨原子耦合到SSH链的两个不同位点，以引入局域扰动。
• 采用哈密顿量形式描述巨原子与光子链的杂化系统。
• 通过分析本征态和能谱，识别手性零能模及对称性破缺效应。
• 评估光子激发的空间分布，以评估巨原子引起的对称性破缺。
• 将周期性边界条件下的系统与传统的开放边界SSH模型进行比较，以评估模态相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在周期性边界条件下，巨原子是否能诱导出类似开放边界行为的手性零能模？
• RQ2 巨原子如何影响SSH链能带内的能级简并性？
• RQ3 巨原子以何种方式改变杂化系统中光子态的空间对称性？
• RQ4 巨原子在多大程度上可用于构建或调节光子环境的拓扑特性？

主要发现

• 在周期性边界条件下，巨原子在波导中诱导出的手性零能模与传统开放边界SSH模型中的结果相似。
• 由于局域耦合，巨原子消除了SSH链能带内原本存在的能级简并。
• 巨原子的存在及其位置会改变杂化态中光子分布的空间对称性。
• 该系统表现出可调的光子特性，表明巨原子可作为动态探针用于调控拓扑环境。