Zmodyfikowane oddziaływania dipol-dipol w obecności falowodu nanofotonicznego

Zmodyfikowane oddziaływania dipol-dipol w obecności falowodu nanofotonicznego

Znacznik czasu: 22 sierpnia 2023 10:35

Mathiasa BM Svendsena1 i Beatriz Olmos1,2

1Institut für Theoretische Physik, Universität Tübingen, Auf der Morgenstelle 14, 72076 Tybinga, Niemcy
2Szkoła Fizyki i Astronomii oraz Centrum Matematyki i Fizyki Teoretycznej Kwantowych Układów Nierównowagowych, The University of Nottingham, Nottingham, NG7 2RD, Wielka Brytania

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Kiedy zespół emiterów oddziałuje z polem elektromagnetycznym, pomiędzy emiterami indukowane są interakcje dipol-dipol. Wielkość i kształt tych oddziaływań są w pełni zdeterminowane przez specyficzną postać modów pola elektromagnetycznego. Jeśli emitery zostaną umieszczone w pobliżu nanofotonicznego falowodu, takiego jak cylindryczne nanowłókno, złożona funkcjonalna forma tych modów sprawia, że ​​analityczna ocena interakcji dipol-dipol jest uciążliwa i kosztowna numerycznie. W tej pracy zapewniamy pełny szczegółowy opis skutecznego obliczania tych interakcji, przedstawiając metodę, którą można łatwo rozszerzyć na inne środowiska i warunki brzegowe. Taka dokładna ocena jest istotna, gdyż ze względu na kolektywny charakter oddziaływań i rozproszenia w tego rodzaju układach, każda niewielka modyfikacja oddziaływań może prowadzić do dramatycznych zmian w obserwacjach eksperymentalnych, szczególnie w miarę wzrostu liczby emiterów. Ilustrujemy to, obliczając sygnał transmisji światła prowadzonego przez cylindryczne nanowłókno w obecności pobliskiego łańcucha emiterów.

Zmodyfikowane interakcje dipol-dipol w obecności nanofotonicznego falowodu PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Wyróżniony obraz: Łańcuch emiterów połączony z falowodem napędzanym światłem światłowodowym o częstotliwości Rabiego $Omega$ i odstrojeniu $Delta$. Emitery oddziałują zbiorowo poprzez mody promieniowania o sile $V^{rd}$ i mody kierowane o sile $V^{gd}$. Nasz obliczony sygnał transmisji $T$ jest porównywany z rozwiązaniem wykorzystującym tryby próżniowe $T^0$ dla emiterów $N=20$.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] RH Dicke. „Koherencja w spontanicznych procesach radiacyjnych”. fizyka Obj. 93, 99–110 (1954).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.93.99

[2] RH Lehmberga. „Promieniowanie z układu ${N}$-Atom. I. Formalizm ogólny”. Fiz. Obj. A 2, 883–888 (1970).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.2.883

[3] DFV James. „Przesunięcia częstotliwości w emisji spontanicznej z dwóch oddziałujących atomów”. Fiz. Obj. A 47, 1336–1346 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.1336

[4] RT Sutherland i F. Robicheaux. „Zbiorowe oddziaływania dipol-dipol w układzie atomowym”. Fiz. Rev. A 94, 013847 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.013847

[5] JA Needham, I. Lesanovsky i B. Olmos. „Transport wzbudzenia chroniony przed promieniowaniem”. Nowy J. Phys. 21, 073061 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab31e8

[6] F. Damanet, D. Braun i J. Martin. „Równanie główne zbiorczej emisji spontanicznej ze skwantowanym ruchem atomowym”. Fiz. Rev. A 93, 022124 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.022124

[7] R. Jones, JA Needham, I. Lesanovsky, F. Intravaia i B. Olmos. „Zmodyfikowane oddziaływanie i rozpraszanie dipol-dipol w zespole atomowym w pobliżu powierzchni”. Fiz. Rev. A 97, 053841 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.053841

[8] K. Sinha, BP Venkatesh i P. Meystre. „Efekty zbiorowe w siłach Kazimierza-Poldera”. Fiz. Wielebny Lett. 121, 183605 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.183605

[9] S. Fuchsa i SY Buhmanna. „Wzmocnienie Purcella-Dicke'a potencjału Kazimierza-Poldera”. EPL (Listy Eurofizyki) 124, 34003 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​124/​34003

[10] A. Asenjo-Garcia, JD Hood, DE Chang i HJ Kimble. „Oddziaływania atom-światło w quasi-jednowymiarowych nanostrukturach: perspektywa funkcji Greena”. Fiz. Rev. A 95, 033818 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.033818

[11] D. Dzsotjan, AS Sørensen i M. Fleischhauer. „Emitery kwantowe sprzężone z plazmonami powierzchniowymi nanodrutu: podejście oparte na funkcji Greena”. Fiz. Rev. B 82, 075427 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.82.075427

[12] EM Purcell, HC Torrey i RV Pound. „Asorpcja rezonansu przez jądrowe momenty magnetyczne w ciele stałym”. Fiz. Obj. 69, 37–38 (1946).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.69.37

[13] P. Goy, JM Raimond, M. Gross i S. Haroche. „Obserwacja spontanicznej emisji pojedynczych atomów wzmocnionej wnęką”. Fiz. Wielebny Lett. 50, 1903–1906 (1983).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.50.1903

[14] G. Gabrielse i H. Dehmelt. „Obserwacja zahamowanej emisji spontanicznej”. Fiz. Wielebny Lett. 55, 67–70 (1985).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.55.67

[15] RG Hulet, ES Hilfer i D. Kleppner. „Zahamowana emisja spontaniczna przez atom Rydberga”. Fiz. Wielebny Lett. 55, 2137–2140 (1985).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.55.2137

[16] J. Martorell i NM Lawandy. „Obserwacja zahamowanej emisji spontanicznej w okresowej strukturze dielektrycznej”. Fiz. Wielebny Lett. 65, 1877–1880 (1990).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.65.1877

[17] E. Vetsch, D. Reitz, G. Sagué, R. Schmidt, ST Dawkins i A. Rauschenbeutel. „Interfejs optyczny utworzony przez chłodzone laserowo atomy uwięzione w zanikającym polu otaczającym nanowłókno optyczne”. Fiz. Wielebny Lett. 104, 203603 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.203603

[18] L. Ding, C. Belacel, S. Ducci, G. Leo i I. Favero. „Stożki krzemionkowe jednomodowe o ultraniskich stratach wytwarzane przez mikrogrzejnik”. Aplikacja Optować. 49, 2441–2445 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1364/​AO.49.002441

[19] P. Lodahl, S. Mahmoodian i S. Stobbe. „Łączenie pojedynczych fotonów i pojedynczych kropek kwantowych z nanostrukturami fotonicznymi”. Wielebny Mod. Fiz. 87, 347–400 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.347

[20] R. Ritter, N. Gruhler, H. Dobbertin, H. Kübler, S. Scheel, W. Pernice, T. Pfau i R. Löw. „Sprzęganie termicznej pary atomowej z falowodami szczelinowymi”. Fiz. Rev. X 8, 021032 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.021032

[21] A. Skljarow, N. Gruhler, W. Pernice, H. Kübler, T. Pfau, R. Löw i H. Alaeian. „Integracja dwufotonowej nieliniowej spektroskopii atomów rubidu z fotoniką krzemu”. Optować. Express 28, 19593–19607 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.389644

[22] A. Skljarow, H. Kübler, CS Adams, T. Pfau, R. Löw i H. Alaeian. „Wzmocnione przez Purcella oddziaływania dipolarne w nanostrukturach”. Fiz. Rev. Research 4, 023073 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023073

[23] D. Reitz, C. Sayrin, R. Mitsch, P. Schneeweiss i A. Rauschenbeutel. „Właściwości koherencji atomów cezu uwięzionych w nanowłókienach”. Fiz. Wielebny Lett. 110, 243603 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.243603

[24] P. Lodahl, S. Mahmoodian, S. Stobbe, A. Rauschenbeutel, P. Schneeweiss, J. Volz, H. Pichler i P. Zoller. „Chiralna optyka kwantowa”. Natura 541, 473 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature21037

[25] VA Pivovarov, LV Gerasimov, J. Berroir, T. Ray, J. Laurat, A. Urvoy i DV Kupriyanov. „Pojedyncze zbiorowe wzbudzenie układu atomowego uwięzionego wzdłuż falowodu: badanie wspólnej emisji dla różnych konfiguracji łańcuchów atomowych”. Fiz. Rev. A 103, 043716 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.043716

[26] P. Solano, P. Barberis-Blostein, F. K. Fatemi i et al. „Superpromieniowanie ujawnia interakcje dipolowe o nieskończonym zasięgu poprzez nanowłókien”. Nat. komuna. 8, 1857 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-017-01994-3

[27] R. Pennetta, D. Lechner, M. Blaha, A. Rauschenbeutel, P. Schneeweiss i J. Volz. „Obserwacja spójnego sprzężenia między stanami super- i subradiantnymi zespołu zimnych atomów wspólnie połączonych w pojedynczy propagujący mod optyczny”. Fiz. Wielebny Lett. 128, 203601 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.203601

[28] C. Vega, M. Bello, D. Porras i A. González-Tudela. „Stany związane kubit-foton w falowodach topologicznych z przeskokami dalekiego zasięgu”. Fiz. Rev. A 104, 053522 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.053522

[29] M. Bello, G. Platero i A. González-Tudela. „Wiruj fazy wielu ciał w symulatorach falowodowych standardowych i topologicznych qed”. PRX Quantum 3, 010336 (2022).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010336

[30] C. McDonnell i B. Olmos. „Subradiantowe stany krawędziowe w łańcuchu atomowym z przeskakiwaniem za pośrednictwem falowodu”. Kwant 6, 805 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-15-805

[31] A. Asenjo-Garcia, M. Moreno-Cardoner, A. Albrecht, HJ Kimble i DE Chang. „Wykładnicza poprawa wierności przechowywania fotonów przy użyciu subradiancji i„ selektywnej radiancji ”w układach atomowych”. Fiz. Rev. X 7, 031024 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.031024

[32] A. Albrecht, L. Henriet, A. Asenjo-Garcia, PB Dieterle, O. Painter i DE Chang. „Stany subradiacyjne bitów kwantowych sprzężonych z jednowymiarowym falowodem”. Nowy J. Phys. 21, 025003 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / ab0134

[33] G. Buonaiuto, R. Jones, B. Olmos i I. Lesanovsky. „Dynamiczne tworzenie i wykrywanie splątanych stanów wielu ciał w chiralnym łańcuchu atomowym”. Nowy J. Phys. 21, 113021 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab4f50

[34] S. Mahmoodian, G. Calajó, DE Chang, K. Hammerer i AS Sørensen. „Dynamika stanów związanych z fotonami wielu ciał w chiralnym falowodzie qed”. Fiz. Rev. X 10, 031011 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.031011

[35] YL Wang, Y. Yang, J. Lu i L. Zhou. „Transport fotonów i interferencja stanów związanych w falowodzie jednowymiarowym”. Optować. Express 30, 14048–14060 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.455294

[36] DD Sedov, VK Kozin i IV Iorsh. „Optomechanika chiralnego falowodu: kwantowe przejścia fazowe pierwszego rzędu z łamaniem symetrii ${mathbb{z}}_{3}$”. Fiz. Wielebny Lett. 125, 263606 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.263606

[37] G. Buonaiuto, F. Carollo, B. Olmos i I. Lesanovsky. „Fazy dynamiczne i korelacje kwantowe w układzie emiter-falowód ze sprzężeniem zwrotnym”. Fiz. Wielebny Lett. 127, 133601 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.133601

[38] Fam Le Kien i A. Rauschenbeutel. „Chiralne sprzęganie radiacyjne za pośrednictwem nanowłókien między dwoma atomami”. Fiz. Rev. A 95, 023838 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.023838

[39] DF Kornovan, AS Szeremet i MI Petrov. „Zbiorowe mody polarytoniczne w szeregu dwupoziomowych emiterów kwantowych połączonych z nanowłókienem optycznym”. Fiz. Rev. B 94, 245416 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.94.245416

[40] E. Stourm, M. Lepers, J. Robert, S. Nic Chormaic, K. Mølmer i E. Brion. „Spontaniczna emisja i przesunięcia energii atomu rubidu Rydberga w pobliżu nanowłókien optycznych”. Fiz. Rev. A 101, 052508 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.052508

[41] AS Szeremet, MI Pietrow, IV Iorsz, AV Poszakinski i AN Poddubny. „Elektrodynamika kwantowa falowodu: zbiorowa radiacja i korelacje foton-foton”. Wielebny Mod. Fiz. 95, 015002 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.95.015002

[42] A. Sipahigil, RE Evans, DD Sukachev, MJ Burek, J. Borregaard, MK Bhaskar, CT Nguyen, JL Pacheco, HA Atikian, C. Meuwly, RM Camacho, F. Jelezko, E. Bielejec, H. Park, M. Lončar i MD Lukin. „Zintegrowana platforma nanofotoniki diamentowej dla sieci kwantowo-optycznych”. Nauka 354, 847–850 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aah6875

[43] YV Vladimorova i VN Zadkov. „Optyka kwantowa w nanostrukturach”. Nanomateriały (Bazylea) 11, 1919 (2021).
https://​/​doi.org/​10.3390/​nano11081919

[44] M. Grossa i S. Haroche’a. „Superradiance: esej na temat teorii zbiorowej emisji spontanicznej”. Fiz. Rep. 93, 301–396 (1982).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0370-1573(82)90102-8

[45] A. Crubellier, S. Liberman, D. Pavolini i P. Pillet. „Nadpromieniowanie i subradiancja. I. Interatomowe właściwości interferencyjne i symetrii w układach trójpoziomowych”. J.Fiz. Nietoperz. Mol. Fiz. 18, 3811–3833 (1985).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0022-3700/​18/​18/​022

[46] HT Dung, L. Knöll i D.-G. Welscha. „Rezonansowe oddziaływanie dipol-dipol w obecności otoczenia rozpraszającego i absorbującego”. Fiz. Rev. A 66, 063810 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.063810

[47] Rodzina Le Kien. „Siła światła na dwupoziomowym atomie w pobliżu ultracienkiego światłowodu”. Nowy J. Phys. 20, 093031 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aadf6d

[48] L. Knöll, S. Scheel i Welsch D.-G. „Qed w ośrodkach dyspergujących i absorbujących”. W: J. Peri$breve{text{n}}$a, redaktor, Coherence and Statistics of Photons and Atoms. Wiley, Nowy Jork (2001).

[49] SY Buhmanna. „Siły zanurzenia II: Efekty wielu ciał, wzbudzone atomy, skończona temperatura i tarcie kwantowe”. Springera w Berlinie. (2012).

[50] BA van Tiggelen i SE Skipetrov. „Mody podłużne w rozproszeniu i lokalizacji światła”. Fiz. Rev. B 103, 174204 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.103.174204

[51] R. Balian i C. Bloch. „Rozkład częstotliwości własnych dla równania falowego w dziedzinie skończonej: I. Problem trójwymiarowy z gładką powierzchnią graniczną”. Anna. Fiz. 60, 401–447 (1970).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0003-4916(70)90497-5

[52] RJ Glauber i M. Lewenstein. „Optyka kwantowa ośrodków dielektrycznych”. Fiz. Obj. A 43, 467–491 (1991).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.43.467

[53] T. Søndergaarda i B. Tromborga. „Ogólna teoria emisji spontanicznej w aktywnych mikrostrukturach dielektrycznych: Przykład wzmacniacza światłowodowego”. Fiz. Rev. A 64, 033812 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.033812

[54] IH Malitsona. „Międzypróbkowe porównanie współczynnika załamania światła topionej krzemionki$ast$,†”. J. Opt. Towarzystwo Jestem. 55, 1205–1209 (1965).
https: // doi.org/ 10.1364 / JOSA.55.001205

[55] CW Petersona i BW Knighta. „Obliczenia przyczynowości w dziedzinie czasu: wydajna alternatywa dla metody Kramersa – Kroniga $ast$”. J. Opt. soc. Jestem. 63, 1238–1242 (1973).
https: // doi.org/ 10.1364 / JOSA.63.001238

[56] WO Saxton. „Oznaczanie fazy w mikroskopii elektronowej w jasnym polu przy użyciu komplementarnych apertur półpłaszczyznowych”. J.Fiz. D: Aplikacja. Fiz. 7, L63 – L64 (1974).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0022-3727/​7/​4/​102

[57] https://​/​github.com/​MathiasBMS/​Collective-Cooperatives-atom-nanofiber-system.
https://​/​github.com/​MathiasBMS/​Collective-Cooperatives-atom-nanofiber-system

[58] C. Liedl, F. Tebbenjohanns, C. Bach, S. Pucher, A. Rauschenbeutel i P. Schneeweiss. „Obserwacja rozbłysków nadpromienistych w falowodzie qed” (2022).

[59] SJ Masson i A. Asenjo-Garcia. „Uniwersalność superradiacji Dicke’a w układach emiterów kwantowych”. Nat. komuna. 13, 2285 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-022-29805-4

[60] C. Sayrin, C. Clausen, B. Albrecht, P. Schneeweiss i A. Rauschenbeutel. „Przechowywanie światła prowadzonego przez włókno w zestawie zimnych atomów uwięzionych nanowłókienach”. Optyka 2, 353–356 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.2.000353

[61] B. Gouraud, D. Maxein, A. Nicolas, O. Morin i J. Laurat. „Wykazanie pamięci dla ściśle prowadzonego światła w nanowłókien optycznych”. Fiz. Wielebny Lett. 114, 180503 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.180503

[62] HT Dung, SY Buhmann, L. Knöll, D.-G. Welsch, S. Scheel i J. Kästel. „Kwantyzacja pola elektromagnetycznego i spontaniczny rozpad w ośrodkach lewoskrętnych”. Fiz. Rev. A 68, 043816 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.68.043816

[63] N.-AP Nicorovici, RC McPhedran i LC Botten. „Względna lokalna gęstość stanów dla jednorodnych materiałów stratnych”. Fizyka B Kondensuje. 405, 2915–2919 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physb.2010.01.003

Cytowany przez

Niniejszy artykuł opublikowano w Quantum pod Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe (CC BY 4.0) licencja. Prawa autorskie należą do pierwotnych właścicieli praw autorskich, takich jak autorzy lub ich instytucje.

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy