論文の概要: Generalization of the Tavis-Cummings model for multi-level anharmonic systems: insights on the second excitation manifold

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2202.01433v1
• Date: Thu, 3 Feb 2022 06:33:42 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-26 23:15:20.893159
• Title: Generalization of the Tavis-Cummings model for multi-level anharmonic systems: insights on the second excitation manifold
• Title（参考訳）: 多レベル非調和系に対するTavis-Cummingsモデルの一般化:第二励起多様体に関する考察
• Authors: Jorge A. Campos-Gonzalez-Angulo and Joel Yuen-Zhou
• Abstract要約: この研究は、材料が2レベルシステムの集合であるTavis-Cummings(TC)モデルと対照的である。 我々は、巨大な$N2times N2$ Hamiltonianのブルートフォース対角化を単純化する。 2光子吸収を増強できるバイポーラリトンと無調波遷移の間の共鳴条件を見出した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Confined electromagnetic modes strongly couple to collective excitations in ensembles of quantum emitters, producing light-matter hybrid states known as polaritons. Under such conditions, the discrete multilevel spectrum of molecular systems offers an appealing playground for exploring multiphoton processes. This work contrasts predictions from the Tavis-Cummings (TC) model, in which the material is a collection of two-level systems, with the implications of considering additional energy levels with harmonic and anharmonic structures. We discuss the exact eigenspectrum, up to the second excitation manifold, of an arbitrary number $N$ of oscillators collectively coupled to a single cavity mode in the rotating-wave approximation. Elaborating on our group-theoretic approach [New J. Phys. 23, 063081 (2021)], we simplify the brute-force diagonalization of a gigantic $N^2\times N^2$ Hamiltonian (where $N=10^6-10^{10}$, as experiments suggest) to the diagonalization of, at most, $4\times4$ matrices. We thoroughly discuss the eigenstates and the consequences of weak and strong anharmonicities. Furthermore, we find resonant conditions between bipolaritons and anharmonic transitions where two-photon absorption can be enhanced. Finally, we conclude that energy shifts in the polaritonic states induced by anharmonicities become negligible for large $N$. Thus, calculations with a single or few emitters qualitatively fail to represent the nonlinear optical response of the collective strong coupling regime. Our work highlights the rich physics of multilevel anharmonic systems coupled to cavities absent in standard models of quantum optics. We also provide concise tabulated expressions for eigenfrequencies and transition amplitudes, which should serve as a reference for future spectroscopic studies of molecular polaritons.
• Abstract（参考訳）: 閉じ込められた電磁モードは、量子エミッタのアンサンブルにおける集合励起と強く結合し、偏光子として知られる光物質ハイブリッド状態を生成する。 このような条件下では、分子系の離散多レベルスペクトルは多光子過程を探索するための魅力的な遊び場を提供する。 この研究は、物質が2レベル系の集合体であるTavis-Cummings(TC)モデルからの予測とは対照的であり、調和構造と無調和構造を持つ追加エネルギーレベルを考えることの意味がある。 回転波近似における単一共振モードに結合した振動子の任意の数$N$の第二励起多様体の正確な固有スペクトルについて議論する。 群論的なアプローチ (New J. Phys. 23 063081 (2021)) に基づき、大容量のN^2\times N^2$ Hamiltonian (実験が示唆しているように、N=10^6-10^{10}$) のブルート力対角化を、少なくとも4\times4$行列の対角化に単純化する。 我々は、固有状態と弱い強調和の結果を徹底的に議論する。 さらに、2光子吸収を増強できる二極子と無調和遷移の共振条件を見いだす。 最後に、非調和性によって引き起こされる極性状態におけるエネルギーシフトは、大きな n$ に対して無視できると結論づける。 したがって、単一または少数のエミッタによる計算は、集合的強結合状態の非線形光学応答を定性的に表現できない。 本研究は、量子光学の標準モデルにない空洞と結合した多レベル無調和系のリッチ物理を強調する。 また,分子ポラリトンに関する将来の分光学的研究の参考となる固有度と遷移振幅の簡潔な表式も提供する。

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