[论文解读] Chromodynamics of photons in an artificial non-Abelian magnetic Yang-Mills field

Antonio Fieramosca, Laura Polimeno+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究通过强自旋-轨道耦合，在二维钙钛矿微腔中实验实现了光子的非阿贝尔杨-米尔斯规范场，利用SU(2)规范场模拟了夸克的色动力学。该系统展示了激发子-极化子波包的弯曲轨迹与自旋进动，直接在实空间观测到SU(2)色动力学方程，为胶子-夸克动力学提供了一种具有自旋与轨迹演化直接实验可测性的光子模拟器。

ABSTRACT

Artificial gauge fields, simulating real phenomenologies that unfold in a vast variety of systems, offer extraordinary possibilities to study extreme physical effects in many different environments, from high energy physics to quantum mechanics and cosmology. They are also at the heart of topological physics. Here, exploiting a strongly anisotropic material under strong coupling regime, we experimentally synthesize a Yang-Mills non-Abelian gauge field acting on an exciton-polariton quantum flow like a magnetic field. We observe experimentally the corresponding curved trajectories and spin precession. This motion follows chromodynamics equations which normally describe the quarks strong interactions and their color. Our work therefore opens exciting perspectives of simulating quark-gluon dynamics using highly flexible photonic simulators. It makes of sub-atomic physics a potential new playground to apply topological physics concepts.

研究动机与目标

• 在固态平台上实现光子的人工非阿贝尔规范场。
• 利用强耦合系统中的激子-极化子模拟类夸克色动力学。
• 实验观测杨-米尔斯磁场对空间轨迹与自旋演化的影响。
• 通过光子系统提供量子色动力学的直接可观测类比。

提出的方法

• 通过双折射效应，设计具有强自旋-轨道耦合的二维混合有机-无机钙钛矿微腔。
• 利用强耦合激子-极化子系统中的Rashba-Dresselhaus自旋-轨道耦合，生成非阿贝尔SU(2)规范势。
• 通过偏振分辨发射成像测量波包轨迹与自旋纹理。
• 应用杨-米尔斯色动力学方程建模空间与自旋动力学的耦合。
• 将实验结果与基于SU(2)色动力学方程的模拟结果进行比较。
• 利用缺陷势场探测非阿贝尔场中的横向力与自旋进动效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在固态系统中实验合成光子的非阿贝尔杨-米尔斯规范场？
• RQ2 激发子-极化子的空间轨迹与自旋进动如何响应人工非阿贝尔规范场？
• RQ3 所观测的动力学在多大程度上可由SU(2)色动力学方程描述？
• RQ4 该系统能否作为具有直接实验可观测性的胶子-夸克动力学光子模拟器？
• RQ5 非阿贝尔杨-米尔斯力与阿贝尔涌现规范效应（如反常霍尔效应）有何本质区别？

主要发现

• 由于横向杨-米尔斯力作用，激发子-极化子波包表现出弯曲轨迹，实空间中直接观测到该效应。
• 测量到极化子的自旋进动，s3分量的振荡证实了非阿贝尔规范耦合的存在。
• 实验观测的轨迹与自旋纹理与基于SU(2)色动力学方程的模拟结果高度一致。
• 缺陷势导致下游出现汇聚流，上下方自旋流方向相反，产生横向力，从而塑造密度分布。
• 所观测动力学与反常霍尔效应有本质区别，因其源于实空间中的非阿贝尔规范场，而非动量空间中的贝里曲率。
• 该系统提供了完全可解且可直接观测的量子色动力学类比，支持对粒子轨迹与自旋取向的直接测量。