論文の概要: The Free Electron Gas in Cavity Quantum Electrodynamics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2006.09236v4
- Date: Thu, 27 May 2021 19:11:45 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-05-13 17:58:05.974469
- Title: The Free Electron Gas in Cavity Quantum Electrodynamics
- Title（参考訳）: キャビティ量子電磁力学における自由電子ガス
- Authors: Vasil Rokaj, Michael Ruggenthaler, Florian G. Eich, and Angel Rubio
- Abstract要約: 空洞量子力学における自由電子気体の理論を再考する。
電子-光子基底状態は仮想光子を含むフェルミ液体であることを示す。
また、空洞場はプラズモン-ポラリトン励起を誘導し、電子ガスの光および直流伝導率を変化させることを示した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Cavity modification of material properties and phenomena is a novel research
field largely motivated by the advances in strong light-matter interactions.
Despite this progress, exact solutions for extended systems strongly coupled to
the photon field are not available, and both theory and experiments rely mainly
on finite-system models. Therefore a paradigmatic example of an exactly
solvable extended system in a cavity becomes highly desireable. To fill this
gap we revisit Sommerfeld's theory of the free electron gas in cavity quantum
electrodynamics (QED). We solve this system analytically in the long-wavelength
limit for an arbitrary number of non-interacting electrons, and we demonstrate
that the electron-photon ground state is a Fermi liquid which contains virtual
photons. In contrast to models of finite systems, no ground state exists if the
diamagentic $\textbf{A}^2$ term is omitted. Further, by performing linear
response we show that the cavity field induces plasmon-polariton excitations
and modifies the optical and the DC conductivity of the electron gas. Our exact
solution allows us to consider the thermodynamic limit for both electrons and
photons by constructing an effective quantum field theory. The continuum of
modes leads to a many-body renormalization of the electron mass, which modifies
the fermionic quasiparticle excitations of the Fermi liquid and the
Wigner-Seitz radius of the interacting electron gas. Lastly, we show how the
matter-modified photon field leads to a repulsive Casimir force and how the
continuum of modes introduces dissipation into the light-matter system. Several
of the presented findings should be experimentally accessible.
- Abstract（参考訳）: 物質特性と現象のキャビティ修正は、強い光-物質相互作用の進歩によって大きく動機付けられた新しい研究分野である。
この進展にもかかわらず、拡張された系の厳密な解は光子場と強く結合しており、理論も実験も主に有限系モデルに依存している。
したがって、空洞内の正確に解ける拡張システムのパラダイム的な例は、非常に望まれる。
このギャップを埋めるため、sommerfeldの空洞量子電磁力学(qed)における自由電子気体の理論を再検討する。
この系を、任意の数の非相互作用電子の長波長限界で解析的に解き、電子-光子基底状態が仮想光子を含むフェルミ液体であることを実証する。
有限系のモデルとは対照的に、対数的 $\textbf{A}^2$ 項が省略された場合、基底状態は存在しない。
さらに、線形応答を行うことで、空洞場はプラズモン-ポラリトン励起を誘導し、電子ガスの光および直流伝導率を変化させることを示す。
正確な解法により、有効な量子場理論を構築することにより、電子と光子の熱力学的極限を考えることができる。
モードの連続体は電子質量の多体再正規化につながり、フェルミ液体のフェルミイオン準粒子励起と相互作用する電子ガスのウィグナー・セッツ半径を変化させる。
最後に,物質修飾光子場が反動カシミール力にどのようにつながり,モード連続体が光マター系に散逸をもたらすかを示す。
提示された発見のいくつかは実験的にアクセス可能であるべきである。
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