[论文解读] Non-equilibrium phase transition in driven-dissipative nonlinear cavity arrays

Andrea Tomadin, Vittorio Giovannetti+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2009

Spectroscopy and Laser Applications被引用 2

一句话总结

本文研究了在驱动-耗散非线性腔阵列中相互作用光子的非平衡相变。采用平均场方法，展示了从莫特绝缘体样相到超流相的相变，且光子损耗越高，临界隧穿速率越大。该相变对初始态制备具有鲁棒性，且通过腔体发射的二阶相干性可实现相图测定，无需热化过程。

ABSTRACT

We analyze the non-equilibrium dynamics of a gas of interacting photons in an array of coupled dissipative nonlinear cavities driven by a pulsed external coherent field. Using a mean-field approach, we show that the system exhibits a phase transition from a Mott-insulator-like to a superfluid regime. For a given single-photon nonlinearity, the critical value of the photon tunneling rate at which the phase transition occurs increases with the increasing photon loss rate. We checked the robustness of the transition by showing its insensitivity to the initial state prepared by the the pulsed excitation. We find that the second-order coherence of cavity emission can be used to determine the phase diagram of an optical many-body system without the need for thermalization.

研究动机与目标

• 研究耦合非线性腔中相互作用光子系统的非平衡相变。
• 确定在无热平衡条件下，从莫特绝缘体样相到超流相转变发生的条件。
• 通过脉冲激发评估该相变对初始态制备的鲁棒性。
• 探索利用二阶相干性作为探测手段，识别光学多体系统相图的可行性，而无需热化过程。

提出的方法

• 采用平均场方法模拟驱动-耗散非线性腔阵列的非平衡动力学。
• 系统由脉冲外部相干场驱动，以模拟非平衡条件。
• 光子隧穿和单光子非线性是决定系统有效哈密顿量的关键参数。
• 系统性地改变光子损耗率，以研究其对相变临界隧穿速率的影响。
• 计算腔体发射的二阶相干性，以表征系统的相。
• 通过改变脉冲激发所制备的初始态，测试相变的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有相互作用光子的驱动-耗散非线性腔阵列中，会发生何种非平衡相变？
• RQ2 光子损耗率如何影响从莫特绝缘体到超流相转变的临界隧穿速率？
• RQ3 该相变是否对由脉冲激发制备的不同初始态具有鲁棒性？
• RQ4 腔体发射的二阶相干性能否作为可靠探针，用于在无需热化的情况下识别相图？

主要发现

• 在脉冲激发下，系统表现出从莫特绝缘体样相到超流相的非平衡相变。
• 随着光子损耗率的增加，相变的临界光子隧穿速率也随之增大。
• 无论通过脉冲激发制备何种初始态，相变均保持鲁棒。
• 腔体发射的二阶相干性提供了一种可靠的方法，可在无需热化的情况下绘制相图。
• 该相变由平均场区域内光子隧穿、非线性和耗散之间的相互作用所主导。