論文の概要: Gauge-invariant theory of quantum light-matter interactions in arbitrary
media
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2208.11796v1
- Date: Wed, 24 Aug 2022 23:45:00 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-01-29 23:41:16.482462
- Title: Gauge-invariant theory of quantum light-matter interactions in arbitrary
media
- Title（参考訳）: 任意の媒体における量子光-物質相互作用のゲージ不変理論
- Authors: Chris Gustin, Sebastian Franke, Stephen Hughes
- Abstract要約: 我々は、ゲージのあいまいさのない構造化フォトニック環境における超強光-物質相互作用の厳密なモデルから導出した。
簡易なゲージ不変光検出モデルを用いて,モード制御系における可観測物があいまいさを伴わずにどのように計算できるかを示す。
- 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: The loss of gauge invariance in models of light-matter interaction which
arises from material and photonic space truncation can pose significant
challenges to conventional quantum optical models when matter and light
strongly hybridize. In structured photonic environments, necessary in practice
to achieve strong light-matter coupling, a rigorous model of field quantization
within the medium is also needed. Here, we use the framework of macroscopic QED
by quantizing the fields in an arbitrary material system, with a
spatially-dependent dispersive and absorptive dielectric, starting from a
fundamental light-matter action. We truncate the material and mode degrees of
freedom while respecting the gauge principle by imposing a partial gauge fixing
constraint during canonical quantization, which admits a large number of gauges
including the Coulomb and multipolar gauges. We also consider gauge conditions
with explicit time-dependence, enabling us to unambiguously introduce
phenomenologically time-dependent light-matter interactions in any gauge. Our
results allow one to derive rigorous models of ultrastrong light-matter
interactions in structured photonic environments with no gauge ambiguity.
Results for two-level systems and the dipole approximation are discussed, as
well as how to go beyond the dipole approximation for effective single-particle
models. By comparing with the limiting case of an inhomogeneous dielectric,
where dispersion and absorption can be neglected and the fields can be expanded
in terms of the generalized transverse eigenfunctions of the dielectric, we
show how lossy systems can introduce an additional gauge ambiguity, which we
resolve and predict to have fundamental implications for open quantum system
models. Finally, we show how observables in mode-truncated systems can be
calculated without ambiguity by using a simple gauge-invariant photodetection
model.
- Abstract（参考訳）: 物質とフォトニック空間の切り離しから生じる光間相互作用のモデルにおけるゲージ不変性の喪失は、物質と光が強く混ざり合わさった場合、従来の量子光学モデルにとって重大な課題となる。
構造フォトニック環境においては、強い光-物質結合を実現するために、媒体内の場の量子化の厳密なモデルも必要である。
ここでは、任意の物質系の電場を、基本光源作用から始まる空間依存性の分散誘電体と吸収誘電体で定量化することにより、マクロQEDの枠組みを用いる。
標準量子化中に部分ゲージ固定制約を課すことでゲージ原理を尊重しながら、材料とモードの自由度を断定し、クーロンや多極ゲージを含む多数のゲージを許容する。
また、時間依存性を明示したゲージ条件も考慮し、任意のゲージに現象論的に時間依存性の光-物質相互作用を導入することができる。
この結果により、ゲージのあいまいさを伴わない構造フォトニック環境における超強光-物質相互作用の厳密なモデルが導出できる。
双極子近似と双極子近似の結果と、有効単一粒子モデルに対する双極子近似を超える方法について議論した。
分散と吸収を無視し、誘電体の一般化された逆固有関数を用いて場を拡大できる不均質誘電体の極限ケースと比較することにより、損失のある系がさらなるゲージ曖昧性を導入する方法を示し、オープン量子系モデルに基本的な意味を持つと予測する。
最後に、単純なゲージ不変光検出モデルを用いて、モード切換系における可観測性がどのように曖昧さなく計算できるかを示す。
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