量子位相転移の新しい知見
研究は、フラストレーションを抱えたスーパーラジアンとその振る舞いの複雑さを明らかにしている。
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量子相転移は、温度や圧力といった外的条件ではなく、量子力学的な影響によってシステムがある相から別の相に変わるときに起こる。これらの転移は、特定の材料が非常に低温でどのように振る舞うか、そしてそれらの振る舞いに量子力学がどのように関与しているかをより深く理解する手助けをする。
ディッケモデルと超放射
ディッケモデルは、二つのエネルギーレベルを持つ原子の集合が一つの光のモードと相互作用する量子物理の古典的な例。光と原子の結合が十分強くなると、システムは超放射と呼ばれる相に移行することができる。この相では、原子が個別に放出するよりも効率的に光を共同で放出する。
フラスターテッド・スーパーラディアンス相
新たな研究分野は、複数のディッケモデルをリングに置いて光を介して相互作用させることで発生するフラスターテッド・スーパーラディアンス相に焦点を当てている。この設定は、システム内の協力が構成要素の相互作用によって珍しい振る舞いを引き起こす面白い複雑さを導入する。
摂動の役割
この設定では、研究者たちはシステムに制約を加えたり変更を加えたりすることで、相にどのような影響を与えるかを探る。たとえば、ある種の摂動はシステムが光を処理する方法を変え、特定の対称性を破ることで、観察される臨界的な振る舞いが変わる可能性がある。
研究の重要な発見
重要な発見の一つは、異なる種類の摂動がさまざまな相転移を引き起こすこと。たとえば、特定の対称性が変わると、システムのスケーリング法則に変化が現れ、相転移の近くでシステムの異なる特性がどのように関連しているかに影響を与える。
研究者たちは、時間対称性を破ることで臨界スケーリングがシフトし、これまで見られなかった新しい振る舞いが導入されることを発見した。さらに、超放射相には新しいゼロエネルギーモードが現れ、追加のエネルギーなしでシステムが励起される可能性があることを示して、量子システムの振る舞いがいかに複雑であるかを強調している。
励起スペクトルと臨界スケーリング
励起スペクトルは、システム内のエネルギーレベルがどのように変動するかを指し、これらの変動はシステムが変化にどう反応するかを理解するのに役立つ。研究により、条件が変化すると、異なる励起モードが特定の振る舞いを示し、どのタイプの相互作用や転移が起こっているかを特定するのに役立つことが分かった。
臨界スケーリングは、特定の特性が転移の近くでどのように発散するかを説明する方法で、システムの性質に関する重要な情報を含んでいる。柔らかいモードの存在-容易に変化できる励起状態-もシステムが臨界点にどれだけ近いかを示している。
意義と今後の研究
これらの相や臨界的な振る舞いを理解することで、研究者たちは量子物理の新しい材料や現象を探求し、量子コンピューティングやその他の先進技術への応用につながる可能性がある。今後の研究では、異なる数の構成要素を持つシステムを調べたり、光と物質の相互作用の影響を調査したり、これらのシステムが時間とともにどのように反応するかを問い直したりするかもしれない。
結論
要するに、ディッケモデルとその変種を通じてフラスターテッド・スーパーラディアンス相の探求は、量子相転移の複雑さに光を当てている。摂動を通じてシステムを変更することは、これらの量子システムがいかに繊細で相互に関連しているかを示し、将来の調査の機会を提供している。この分野は成長を続けており、量子レベルでの物質の基本的な振る舞いに対する新しい洞察を提供している。
タイトル: The Closed and Open Unbalanced Dicke Trimer Model: Critical Properties and Nonlinear Semiclassical Dynamics
概要: We study a generalization of a recently introduced Dicke trimer model [Phys. Rev. Lett. 128, 163601, Phys. Rev. Research 5, L042016], which allows for cavity losses and unbalanced light-matter interactions (in which rotating and counter-rotating terms can be tuned independently). We find that in the extreme unbalanced limit, the $U(1)$ symmetry of the Tavis-Cummings model is restored, qualitatively altering the critical phenomena in the superradiant phase due to the presence of a zero-energy mode. To analyze this general regime, we develop a semiclassical theory based on a re-quantization technique. This theory also provides further physical insight on a recently reported anomalous finite critical fluctuations in the time-reversal broken regime. Moving to the open-Dicke case, by introducing local dissipation to the cavities, we observe the emergence of a rich range of nonequilibrium phases characterized by trivial and non-trivial dynamical signatures. In the former case, we identify, when time-reversal symmetry is present, a new stationary phase that features superradiant states in two of the three cavities and a normal state in the other cavity. In the latter case, we observe the emergence of dynamical phases in which the system exhibits superradiant oscillations, characterized by periodic or chaotic phase space patterns. The landscape of transitions associated with these dynamical phases features a wide range of qualitatively different behaviours such as Hopf bifurcations, anomalous Hopf bifurcations, collisions between basins of attraction, and exterior crises. We highlight how the two-critical-scalings feature of the closed model is robust under dissipation while the phenomenon of anomalous finite critical fluctuations becomes a mean-field scaling in the open model.
著者: Cheng Zhang, Pengfei Liang, Neill Lambert, Mauro Cirio
最終更新: 2023-11-02 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2303.11758
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2303.11758
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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