Undersøgelse kaster lys over målerinvarians i ultra-koblingskavitets kvantelektrodynamik

I kvanteelektrodynamik, valget af måler (dvs. specifik matematisk formalisme, der bruges til at regulere frihedsgrader) kan i høj grad påvirke formen for lys-stof-interaktioner. Interessant nok, imidlertid, "gauge invariance" -princippet indebærer, at alle fysiske resultater skal være uafhængige af en forskers valg af måler. Quanti Rabi -modellen, som ofte bruges til at beskrive lys-stof-interaktioner i cavity-QED, har vist sig at overtræde dette princip i nærvær af ultrastærk lysmateriale-kobling, og tidligere undersøgelser har tilskrevet denne fiasko til den endelige afkortning af materiesystemet.

Et team af forskere ved RIKEN (Japan), Università di Messina (Italien) og University of Michigan (U.S.) har for nylig foretaget en undersøgelse, der undersøger dette emne yderligere. I deres papir, udgivet i Naturfysik , de identificerede kilden til denne målerovertrædelse og tilvejebragte en metode til at udlede letmateriale Hamiltonians i afkortede Hilbert-rum, som kan producere måler-invariante fysiske resultater selv i ekstreme lys-stof-interaktionsregimer.

"Ultrastærk kobling mellem lys og stof har, i det sidste årti, overgået fra en teoretisk idé til en eksperimentel virkelighed, "Salvatore Savasta, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det er et nyt regime for kvantelys-stof-interaktion, hvilket går ud over svag og stærk kobling for at gøre koblingsstyrken sammenlignelig med overgangsfrekvenserne i systemet. Disse regimer, udover at muliggøre spændende nye fysiske effekter, samt mange potentielle applikationer, repræsenterer en mulighed for at uddybe vores forståelse subtile aspekter af vekselvirkningen mellem lys og stof. "

Under et arrangement arrangeret af prof. Franco Nori, som også var involveret i undersøgelsen, resten af ​​teamet lærte om eksistensen af ​​to manuskripter, der indikerede en opdeling af måleinvariansen for quantum Rabi -modellen. Denne sammenbrud fandt sted, når man overvejede interaktionen mellem et to-niveau system og en enkelt-mode elektromagnetisk resonator i nærvær af en stærk atom-felt interaktion.

"Da der er en hurtigt stigende interesse for det ultrasterke koblingsregime i hulrum QED, og ​​da målesymmetri er hjørnesten i moderne fysik, vi betragtede denne situation som meget utilfredsstillende, "Savasta sagde." Disse måle -uklarheder bestemmer en delvis mangel på forudsigelighed for nøglemodeller i hulrum QED, som er et centralt felt inden for kvanteoptik og kvanteteknologier. "

Da forfatterne begyndte at diskutere disse problemer, Savasta huskede pludselig en af ​​sine første forskningsartikler, samt en ældre undersøgelse udført af hans specialevejleder Raffaello Girlanda i samarbejde med Antonio Quattropani og Paolo Schwendimann. I dette særlige papir, forskerne viste, at for at bevare måleinvariansen af ​​multi-fotonovergangshastigheder i faste stoffer, et korrigerende udtryk skal tilføjes til standard elektron-foton interaktioner.

"Vi begyndte at anvende disse ideer til vores mål, som skulle udlede en kvantebeskrivelse af lys-stof-interaktion for vilkårlige interaktionsstyrker, der ville være fri for måle-uklarheder, på trods af den uundgåelige tilnærmelse, der normalt introduceres for at styre beregninger, "Sagde Savasta.

I fysikken, "måleprincippet" siger, at man skal tilføje den tilsvarende komponent i feltkoordinaten til hver momentumkomponent i det Hamiltoniske i et materiesystem. Denne procedure kaldes "minimal koblingsudskiftning".

Savasta og hans kolleger baserede deres arbejde på observationer indsamlet ved tidligere undersøgelser, som viste, at tilnærmelser i beskrivelsen af ​​materiesystemet kan omdanne det atomare lokale potentiale til et ikke -lokalt, som kan udtrykkes som kvanteoperatorer afhængigt af både dets position og momentum. I dette tilfælde, for at tilfredsstille måleprincippet, minimal koblingsudskiftning skal også anvendes på potentialet.

"Vi brugte en operatørteknik, tidligere udviklet af en af ​​forfatterne, som er i stand til at fungere korrekt, selvom det faktiske ikke -lokale potentiale i materiesystemet er ukendt, "Forklarede Savasta.

"Indtil nu, påvirkning af ikke -lokale potentialer på interaktionen er kun blevet overvejet op til anden orden i vektorpotentialet. Vi fandt ud af, at når ordningssystemet er meget ulineært, og når koblingsstyrken er meget høj, skal alle ordrer inkluderes. "

Undersøgelsen udført af Savasta og hans kolleger giver meget vigtig indsigt inden for området kvanteelektrodynamik. For det første og vigtigst af alt, deres arbejde viser, at der er en enkel måde at opnå en måle-invariant beskrivelse af lys-stof-interaktion, der forbliver gyldig trods tilnærmelser og med ekstreme interaktionsstyrker.

"Vores resultater kaster lys over målerinvarians i de ikke-forstyrrende og ekstreme interaktionsregimer, samt løsning af langvarige kontroverser, der opstår som følge af måle-uklarheder i kvante-Rabi- og Dicke-modellerne (en forlængelse af kvante-Rabi-modellen for mange kvanteemittere), "Sagde Savasta." Ved at gøre det, de tillader en præcis og utvetydig teoretisk forudsigelse/beskrivelse af eksperimentelle resultater i ultrastong -hulrum QED. "

Resultaterne indsamlet af dette team af forskere uddyber den nuværende forståelse af subtile, men relevante kvanteaspekter af interaktionen mellem lys og stof. De kan også hjælpe med at løse igangværende kontroverser og debatter, der stammer fra tidligere observationer af måle -uklarheder i quantum Rabi og Dicke -modellerne. I fremtiden, de ekstreme regimer, som deres undersøgelse fokuserede på, kunne give anledning til nye fysiske effekter og anvendelser, samtidig udfordrer forskernes nuværende viden om cavity-QED.

"Når interaktionsstyrken er så høj, grundlæggende spørgsmål som den korrekte definition af delsystemer og deres kvantemålinger, strukturen af ​​hybride lysstof-grundtilstande, eller analysen af ​​tidsafhængige interaktioner er underlagt uklarheder, der fører til endda kvalitative forskellige forudsigelser, "Savasta sagde." Disse problemer giver en hidtil uset chance for yderligere at uddybe vores forståelse af kvante aspekter af samspillet mellem lys og stof. Vi arbejder nu aktivt på at løse disse problemer. "

© 2019 Science X Network