可调控的非互易超辐射相变和多临界行为在腔体量子电动力学系统中的实现

Core Concepts

我们在一个旋转的双耦合Jaynes-Cummings模型中展示了非互易超辐射相变和新颖的多临界行为的出现。通过结合腔体旋转和定向挤压,系统可以实现可控的一阶和二阶超辐射相变。这些相变不需要超强原子-场耦合,可以通过外部泵浦场轻易控制。我们还发现了两种类型的可控非互易多临界点。这些结果为在光-物质系统中操纵超辐射相变和多临界行为开辟了新的道路,并可能应用于各种集成非互易量子器件的工程。

Abstract

本文研究了一个旋转的双耦合Jaynes-Cummings模型,其中一个二能级原子与一个旋转的微腔的两个反向传播的模式耦合。微腔由具有二阶非线性(χ(2))的材料制成,并通过单向参量泵浦产生定向挤压。

腔体旋转和定向挤压的结合导致了非互易的一阶和二阶超辐射相变。这些相变不需要超强的原子-场耦合,可以通过外部泵浦场轻易控制。通过对系统哈密顿量的完整量子描述,我们确定了相图中的两种类型的多临界点,它们都表现出可控的非互易性。

这些结果为在光-物质系统中操纵超辐射相变和多临界行为开辟了新的道路,并可能应用于各种集成非互易量子器件的工程,如单向超辐射激光器和集成高精度量子传感器。

Stats

我们在前向泵浦的情况下,一阶临界泵浦强度G1st
c,f = 1.96κ,而在后向泵浦的情况下,一阶临界泵浦强度G1st
c,b = 0.66κ。
二阶临界泵浦强度G2nd
c 可以通过公式(4)计算得到。

Quotes

"通过结合腔体旋转和定向挤压,系统可以实现可控的一阶和二阶超辐射相变。"
"我们还发现了两种类型的可控非互易多临界点。"

Key Insights Distilled From

Nonreciprocal Superradiant Phase Transitions and Multicriticality in a Cavity QED System

by Gui-... at arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.13623.pdf

Deeper Inquiries

如何利用这种非互易超辐射相变和多临界行为来实现新型的量子器件和量子技术应用?

非互易超辐射相变和多临界行为的出现为新型量子器件的设计提供了丰富的可能性。通过利用光-物质相互作用的可调控特性，可以实现高效的量子信息处理和传输。例如，基于这种非互易性的量子器件可以用于构建单向量子通信通道，增强量子网络的安全性和可靠性。此外，非互易超辐射相变的可控性使得在集成光子学中实现高精度的量子传感器成为可能，这些传感器能够在极低的噪声环境中工作，从而提高测量的灵敏度和准确性。通过调节外部泵浦场的强度和方向，可以精确控制相变的发生，从而实现对量子态的动态操控，推动量子计算和量子模拟的进展。

这种非互易性是否可以应用于其他类型的相变和临界现象,如量子相变和临界动力学?

是的，这种非互易性不仅限于超辐射相变，还可以扩展到其他类型的相变和临界现象，包括量子相变和临界动力学。在量子相变中，系统的相态变化通常与量子涨落和纠缠现象密切相关。通过引入非互易性，可以在量子相变中实现新的相态和临界行为，例如，非互易性可能导致新的拓扑相或量子临界点的出现。此外，非互易性在临界动力学中也可能引发新的动力学行为，例如，系统在接近临界点时的响应特性可能会因非互易性而显著改变，从而影响相变的动力学过程。这些新现象的研究将为理解复杂量子系统提供新的视角，并可能引领新的实验发现。

这种基于光-物质相互作用的可调控非互易性是否可以启发其他领域,如凝聚态物理和材料科学中的新颖现象?

基于光-物质相互作用的可调控非互易性确实可以启发凝聚态物理和材料科学中的新颖现象。在凝聚态物理中，非互易性可能导致新型的自旋波动和磁性相变，进而影响材料的电学和热学性质。例如，非互易性可以在自旋电子学中实现单向自旋传输，从而提高自旋器件的性能。在材料科学领域，利用非互易性可以设计出具有特殊光学性质的材料，如非互易光子晶体，这些材料能够在特定方向上实现光的选择性传播。此外，非互易性还可能与材料的拓扑性质相结合，形成新型的拓扑绝缘体或超导体。这些研究不仅丰富了基础科学的理论框架，也为新材料的开发和应用提供了新的思路。