I kvantelektrodynamik, valet av mätare (dvs. specifik matematisk formalism som används för att reglera frihetsgrader) kan i hög grad påverka formen av ljus-materia-interaktioner. Intressant, dock, "gauge invariance" -principen innebär att alla fysiska resultat ska vara oberoende av en forskares val av mätare. Kvanten Rabi -modellen, som ofta används för att beskriva ljus-materia-interaktioner i cavity-QED, har befunnits bryta mot denna princip i närvaro av ultrastark ljuskoppling, och tidigare studier har tillskrivit detta misslyckande till den ändliga avkortningen av materiens system.

Ett team av forskare vid RIKEN (Japan), Università di Messina (Italien) och University of Michigan (USA) har nyligen genomfört en studie som undersöker detta ämne ytterligare. I deras papper, publicerad i Naturfysik , de identifierade källan till denna mätaröverträdelse och gav en metod för att härleda Hamiltonians av lätt materia i avkortade Hilbert-utrymmen, som kan ge mätinvarianta fysiska resultat även i extrema ljus-materia interaktionsregimer.

"Ultrastark koppling mellan ljus och materia har, under det senaste decenniet, övergått från en teoretisk idé till en experimentell verklighet, "Salvatore Savasta, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Det är en ny regim för kvantljusinteraktion, som går utöver svag och stark koppling för att göra kopplingsstyrkan jämförbar med övergångsfrekvenserna i systemet. Dessa regimer, förutom att möjliggöra spännande nya fysiska effekter, liksom många potentiella applikationer, representerar en möjlighet att fördjupa vår förståelse subtila aspekter av växelverkan mellan ljus och materia. "

Under ett evenemang som anordnades av prof. Franco Nori, som också var inblandad i studien, resten av teamet lärde sig om förekomsten av två manuskript som indikerade en nedbrytning av måttinvariansen för kvant Rabi -modellen. Denna uppdelning inträffade när man övervägde interaktionen mellan ett system på två nivåer och en elektromagnetisk resonator i ett läge i närvaro av en stark atom-fältinteraktion.

"Eftersom det finns ett snabbt ökande intresse för den ultrastarka kopplingsregimen för kavitet QED och eftersom mätsymmetri är hörnstenen i modern fysik, vi ansåg att denna situation var mycket otillfredsställande, "Sa Savasta." Dessa mått -oklarheter avgör en delvis brist på förutsägbarhet för nyckelmodeller i kavitet QED, som är ett centralt område inom kvantoptik och kvantteknik. "

När författarna började diskutera dessa problem, Savasta kom plötsligt ihåg en av sina första forskningsartiklar, samt en äldre studie utförd av hans examenshandledare Raffaello Girlanda i samarbete med Antonio Quattropani och Paolo Schwendimann. I detta särskilt papper, forskarna visade att för att bevara måttet avvikande av övergångshastigheter för flera foton i fasta ämnen, en korrigerande term måste läggas till standard elektron-foton interaktioner.

"Vi började tillämpa dessa idéer på vårt mål, som skulle härleda en kvantbeskrivning av ljus-materia-interaktion för godtyckliga interaktionsstyrkor som skulle vara fria från mått-oklarheter, trots den oundvikliga approximation som vanligtvis introduceras för att hantera beräkningar, "Sa Savasta.

Inom fysiken, "mätprincipen" säger att man måste lägga till motsvarande komponent i fältkoordinaten för varje momentumkomponent i Hamiltonian i ett materiesystem. Detta förfarande kallas "minimal kopplingsbyte".

Savasta och hans kollegor baserade sitt arbete på observationer som samlats in av tidigare studier, som visade att approximationer i beskrivningen av materiesystemet kan förvandla den atomära lokala potentialen till en icke -lokal, som kan uttryckas som kvantoperatörer beroende på både dess position och momentum. I detta fall, för att uppfylla mätprincipen, minimal kopplingsbyte måste också tillämpas på potentialen.

"Vi använde en operatörsteknik, tidigare utvecklad av en av författarna, som kan fungera korrekt även om saksystemets faktiska icke -lokala potential är okänd, "Förklarade Savasta.

"Tills nu, påverkan av icke -lokala potentialer på interaktionen har endast beaktats fram till andra ordningen i vektorpotentialen. Vi fann att när materiesystemet är mycket olinjärt och när kopplingsstyrkan är mycket hög måste alla order inkluderas. "

Studien utförd av Savasta och hans kollegor erbjuder mycket viktig insikt inom området kvanteelektrodynamik. För det första och viktigast av allt, deras arbete visar att det finns ett enkelt sätt att uppnå en måttlig-invariant beskrivning av ljus-materia-interaktion som förblir giltig trots approximationer och med extrema interaktionsstyrkor.

"Våra resultat belyser gaugeinvarians i de icke-störande och extrema interaktionsregimer, såväl som att lösa långvariga kontroverser som härrör från mätartydigheter i kvant-Rabi- och Dicke-modellerna (en förlängning av kvant-Rabi-modellen för många kvantemitterare), "Sa Savasta." Därigenom, de tillåter en exakt och otvetydig teoretisk förutsägelse/beskrivning av experimentella resultat i ultrastonghålighet QED. "

Resultaten som samlats av detta forskargrupp fördjupar den nuvarande förståelsen för subtila men ändå relevanta kvantaspekter av samspelet mellan ljus och materia. De kan också hjälpa till att lösa pågående kontroverser och debatter som härrör från tidigare observationer av mätartydigheter i kvantmodellerna Rabi och Dicke. I framtiden, de extrema regimer som deras studie fokuserade på kan ge upphov till nya fysiska effekter och tillämpningar, samtidigt som man utmanar forskarnas nuvarande kunskap om cavity-QED.

"När interaktionsstyrkan är så hög, grundläggande frågor som rätt definition av delsystem och deras kvantmätningar, strukturen i hybridljusmaterials grundtillstånd, eller analysen av tidsberoende interaktioner är föremål för oklarheter som leder till till och med kvalitativa distinkta förutsägelser, "Savasta sa." Dessa problem erbjuder en oöverträffad chans att ytterligare fördjupa vår förståelse av kvantaspekter av samspelet mellan ljus och materia. Vi arbetar nu aktivt för att lösa dessa problem. "

© 2019 Science X Network