[论文解读] Quantum optical torque on a two-level system near a photonic topological material

S. Ali Hassani Gangaraj, Mário G. Silveirinha+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用 2

一句话总结

本文通过海森堡运动方程和马尔可夫近似，发展了一套关于近邻非均匀、耗散且具有拓扑特性的光子材料的两能级原子光学扭矩的一般量子理论。研究发现，共振（自发辐射）与非共振（卡西米尔型）扭矩均源于系统的格林函数，其中时间反演对称性破缺的拓扑材料上的单向表面波在产生非平凡扭矩中起关键作用，实现原子极化的定向排列，并为使用里德堡原子和超导量子比特提供可实验检验的预测。

ABSTRACT

We investigate the quantum optical torque on an atom interacting with an inhomogeneous electromagnetic environment described by the most general linear constitutive relations. The atom is modeled as a two-level system prepared in an arbitrary initial energy state. Using the Heisenberg equation of motion (HEM) and under the Markov approximation, we show that the optical torque has a resonant and non-resonant part, associated respectively with a spontaneous-emission process and Casimir-type interactions with the quantum vacuum, which can both be written explicitly in terms of the system Green function. Our formulation is valid for any inhomogeneous, dissipative, dispersive, nonreciprocal, and bianisotropic structure. We apply this general theory to a scenario in which the atom interacts with a photonic topological material with broken time-reversal symmetry. In this case, the main decay channel of the atom energy is represented by the unidirectional surface waves launched on the topological material-vacuum interface. To provide relevant physical insight into the role of these unidirectional surface waves in the emergence of non-trivial optical torque, we derive closed-form expressions for the induced torque under the quasi-static approximation. Finally, we investigate the equilibrium states of the atom polarization, along which the atom spontaneously tends to align due to the action of the torque. Our theoretical predictions may be experimentally tested with cold Rydberg atoms and superconducting qubits near a photonic topological material. We believe that our general theory may find broad application in the context of nano-mechanical and bio-mechanical systems.

研究动机与目标

• 发展一种关于两能级原子与任意非均匀、耗散及非互易电磁环境相互作用的光学扭矩的一般量子理论。
• 通过系统的格林函数，阐明光学扭矩的来源，包括自发辐射与真空卡西米尔型相互作用。
• 研究时间反演对称性破缺的光子拓扑材料中单向表面波在产生非平凡光学扭矩中的作用。
• 确定由于扭矩作用，原子量子态演化趋向的平衡极化态。
• 利用冷里德堡原子和近邻拓扑光子结构的超导量子比特，提供可实验检验的预测。

提出的方法

• 通过两能级原子在任意初态下的海森堡运动方程（HEM）表述光学扭矩。
• 应用马尔可夫近似以处理非马尔可夫效应，并推导出时间局部的动力学。
• 以系统的格林函数显式表达共振与非共振扭矩贡献。
• 将形式化推广至一般线性本构关系，包括色散、耗散、非互易性及双各向异性。
• 将理论应用于时间反演对称性破缺的光子拓扑材料，其中单向表面模主导衰变通道。
• 在准静态近似下推导出扭矩的闭式表达式，以深入理解表面波的作用机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在任意非均匀电磁环境中，两能级原子的光学扭矩如何分解为共振与非共振贡献？
• RQ2 在光子拓扑材料中，时间反演对称性破缺界面的单向表面波在产生非平凡光学扭矩中起何种作用？
• RQ3 在光学扭矩作用下，原子极化如何演化？其平衡对齐态为何？
• RQ4 系统的格林函数与本构关系如何决定扭矩的大小与方向？
• RQ5 理论预测是否可通过近邻拓扑光子结构中的冷里德堡原子或超导量子比特进行实验验证？

主要发现

• 光学扭矩由两部分组成：与自发辐射相关的共振部分，以及源于卡西米尔型真空相互作用的非共振部分。
• 两种扭矩分量均以系统的格林函数显式表达，使该理论可适用于任意线性、非均匀及耗散介质。
• 在时间反演对称性破缺的光子拓扑材料中，主要能量衰变通道为界面处的单向表面波发射。
• 单向表面波是产生非平凡光学扭矩的主要来源，导致原子极化趋向特定方向对齐。
• 在准静态近似下推导出扭矩的闭式表达式，为理解其物理机制提供了分析依据。
• 由于扭矩的各向异性，原子极化自发沿特定平衡方向对齐，表明存在由拓扑表面模驱动的量子力学对齐机制。