In de kwantumelektrodynamica, de keuze van de ijkmaat (d.w.z. specifiek wiskundig formalisme dat wordt gebruikt om vrijheidsgraden te regelen) kan de vorm van licht-materie-interacties sterk beïnvloeden. interessant, echter, het "gauge-invariantie"-principe houdt in dat alle fysieke resultaten onafhankelijk moeten zijn van de keuze van de onderzoeker van de meter. Het kwantum Rabi-model, die vaak wordt gebruikt om interacties tussen licht en materie in holte-QED te beschrijven, bleek dit principe te schenden in de aanwezigheid van ultrasterke licht-materie koppeling, en eerdere studies hebben dit falen toegeschreven aan de afknotting op eindig niveau van het materiesysteem.

Een team van onderzoekers van RIKEN (Japan), Università di Messina (Italië) en de Universiteit van Michigan (VS) hebben onlangs een studie uitgevoerd om dit onderwerp nader te onderzoeken. In hun krant gepubliceerd in Natuurfysica , ze identificeerden de bron van deze ijkovertreding en verschaften een methode om Hamiltonianen van lichte materie af te leiden in afgeknotte Hilbertruimten, die ijkinvariante fysieke resultaten kan produceren, zelfs in extreme licht-materie-interactieregimes.

"Ultrasterke koppeling tussen licht en materie heeft, in het afgelopen decennium, overgegaan van een theoretisch idee naar een experimentele realiteit, "Salvatore Savasta, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het is een nieuw regime van kwantumlicht-materie-interactie, die verder gaat dan zwakke en sterke koppeling om de koppelingssterkte vergelijkbaar te maken met de overgangsfrequenties in het systeem. Deze regimes, naast het mogelijk maken van intrigerende nieuwe fysieke effecten, evenals vele potentiële toepassingen, vertegenwoordigt een kans om ons begrip van subtiele aspecten van de interactie van licht en materie te verdiepen."

Tijdens een evenement georganiseerd door Prof. Franco Nori, die ook bij het onderzoek betrokken was, de rest van het team hoorde over het bestaan ​​van twee manuscripten die een uitsplitsing van de ijkinvariantie van het kwantum Rabi-model aangaven. Deze storing deed zich voor bij het beschouwen van de interactie tussen een systeem op twee niveaus en een single-mode elektromagnetische resonator in de aanwezigheid van een sterke atoomveldinteractie.

"Omdat er een snel toenemende interesse is in het ultrasterke koppelingsregime van holte QED en aangezien ijksymmetrie de hoeksteen is van de moderne natuurkunde, wij vonden deze situatie zeer onbevredigend, " zei Savasta. "Deze ijkambiguïteiten bepalen een gedeeltelijk gebrek aan voorspelbaarheid van sleutelmodellen in holte QED, dat is een centraal veld in kwantumoptica en kwantumtechnologieën."

Toen de auteurs deze problemen begonnen te bespreken, Savasta herinnerde zich plotseling een van zijn eerste onderzoekspapers, evenals een oudere studie uitgevoerd door zijn scriptiebegeleider Raffaello Girlanda in samenwerking met Antonio Quattropani en Paolo Schwendimann. In deze specifieke krant de onderzoekers toonden aan dat, om de ijkinvariantie van multi-foton overgangssnelheden in vaste stoffen te behouden, aan de standaard elektron-foton-interacties moet een correctieterm worden toegevoegd.

"We begonnen deze ideeën toe te passen op ons doel, die een kwantumbeschrijving zou afleiden van licht-materie-interactie voor willekeurige interacties die vrij zouden zijn van ijkambiguïteiten, ondanks de onvermijdelijke benadering die gewoonlijk wordt ingevoerd om berekeningen te beheren, ' zei Savasta.

in de natuurkunde, het "meterprincipe" stelt dat aan elke impulscomponent in de Hamiltoniaan van een materiesysteem men de overeenkomstige component van de veldcoördinaat moet toevoegen. Deze procedure wordt "minimale vervanging van de koppeling" genoemd.

Savasta en zijn collega's baseerden hun werk op observaties verzameld door eerdere studies, waaruit bleek dat benaderingen in de beschrijving van het materiesysteem de atomaire lokale potentiaal kunnen transformeren in een niet-lokale potentiaal, die kan worden uitgedrukt als kwantumoperatoren, afhankelijk van zowel de positie als het momentum. In dit geval, om te voldoen aan het meetprincipe, minimale vervanging van de koppeling moet ook op het potentieel worden toegepast.

"We gebruikten een operatortechniek, eerder ontwikkeld door een van de auteurs, die in staat is om goed te werken, zelfs als het werkelijke niet-lokale potentieel van het materiesysteem onbekend is, ' legde Savasta uit.

"Tot nu, de invloed van niet-lokale potentialen op de interactie is slechts tot de tweede orde in de vectorpotentiaal beschouwd. We ontdekten dat wanneer het materiesysteem zeer niet-lineair is en wanneer de koppelingssterkte erg hoog is, alle bestellingen moeten worden opgenomen."

De studie van Savasta en zijn collega's biedt zeer belangrijke inzichten voor het vakgebied van de kwantumelektrodynamica. Ten eerste en vooral, hun werk laat zien dat er een eenvoudige manier is om een ​​ijkinvariante beschrijving van licht-materie-interactie te verkrijgen die geldig blijft ondanks benaderingen en met extreme interactiesterkten.

"Onze resultaten werpen licht op ijkinvariantie in de niet-perturbatieve en extreme interactieregimes, evenals het oplossen van langdurige controverses die voortkomen uit ijkambiguïteiten in de kwantum Rabi- en Dicke-modellen (een uitbreiding van het kwantum Rabi-model voor veel kwantumstralers), " zei Savasta. "Door dit te doen, ze maken een nauwkeurige en ondubbelzinnige theoretische voorspelling / beschrijving mogelijk van experimentele resultaten in ultrasterke holte QED."

De bevindingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, verdiepen het huidige begrip van subtiele maar relevante kwantumaspecten van de interactie tussen licht en materie. Ze kunnen ook helpen bij het oplossen van lopende controverses en debatten die voortkomen uit eerdere observaties van ijkambiguïteiten in de kwantum Rabi- en Dicke-modellen. In de toekomst, de extreme regimes waarop hun onderzoek zich richtte, kunnen aanleiding geven tot nieuwe fysieke effecten en toepassingen, terwijl het ook de huidige kennis van onderzoekers over holte-QED uitdaagt.

"Als de interactiesterkte zo hoog is, fundamentele kwesties zoals de juiste definitie van subsystemen en hun kwantummetingen, de structuur van hybride licht-materie grondtoestanden, of de analyse van tijdsafhankelijke interacties onderhevig is aan ambiguïteiten die leiden tot zelfs kwalitatief verschillende voorspellingen, Savasta zei. "Deze problemen bieden een ongekende kans om ons begrip van kwantumaspecten van de interactie tussen licht en materie verder te verdiepen. We zijn nu actief bezig om deze problemen op te lossen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk