[论文解读] Dynamical Gauge Fields in Optomechanics

Stefan Walter, Florian Marquardt|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在光机械系统中实现的动力学人工规范场，其中机械振荡相位为光子产生有效磁场，而光子则对光子流产生响应。在三站点模型中，出现了四种不同的动力学行为模式，该框架可扩展至二维晶格，通过光机械晶体实现可调谐、自洽的规范场。

ABSTRACT

Artificial gauge fields for neutral particles such as photons, recently attracted a lot of attention in various fields ranging from photonic crystals to ultracold atoms in optical lattices to optomechanical arrays. Here we point out that, among all implementations of gauge fields, the optomechanical setting allows for the most natural extension where the gauge field becomes dynamical. The mechanical oscillation phases determine the effective artificial magnetic field for the photons, and once these phases are allowed to evolve, they respond to the flow of photons in the structure. We discuss a simple three-site model where we identify four different regimes of the gauge-field dynamics. Furthermore, we extend the discussion to a two-dimensional lattice. Our proposed scheme could for instance be implemented using optomechanical crystals.

研究动机与目标

• 探索人工规范场在光机械系统中的自然延伸，其中规范场成为动态而非静态的。
• 理解机械振荡相位（决定光子的有效磁场）如何响应光子流而演化。
• 在最小的三站点光机械模型中识别出不同的动力学行为模式。
• 将该框架推广至二维光机械晶格，以拓展其应用范围。

提出的方法

• 建立一个三站点光机械阵列模型，其中机械模式调制光子跃迁相位，从而产生有效规范势。
• 将机械振荡相位视为动力学变量，其演化受光子流的影响。
• 采用平均场近似描述光子与机械模式之间的耦合动力学。
• 通过分析不同参数区域的系统行为，识别出四种不同的动力学相。
• 将分析扩展至二维正方晶格，以研究高维系统中涌现的规范场动力学。
• 提出基于具有可调耦合和机械共振器的光机械晶体平台实现该方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 当机械相位被允许响应光子流时，有效规范场如何演化？
• RQ2 在具有光子与机械反馈的三站点光机械系统中，会涌现出哪些不同的动力学行为模式？
• RQ3 当系统扩展至二维晶格时，规范场动力学如何变化？
• RQ4 在何种条件下，系统会表现出稳定、自洽的规范场形成？

主要发现

• 在三站点模型中识别出四种不同的动力学行为模式，其源于光子流与机械反馈之间的相互作用。
• 机械振荡相位动态地响应光子流，导致随时间演化的自洽规范场。
• 该系统支持稳定、可调谐的规范场，其源于光子与机械模式之间的相互耦合。
• 该框架可自然推广至二维晶格，实现在扩展系统中复杂的规范场图案。
• 所提出的方案可基于现有的光机械晶体平台实现，其具备强光子-声子耦合特性。