論文の概要: Theory of fractional quantum Hall liquids coupled to quantum light and emergent graviton-polaritons

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.12292v2
• Date: Sat, 09 Nov 2024 11:53:38 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-12 14:03:06.599153
• Title: Theory of fractional quantum Hall liquids coupled to quantum light and emergent graviton-polaritons
• Title（参考訳）: 量子光と創発性グラビトン偏光子に結合した分数量子ホール液体の理論
• Authors: Zeno Bacciconi, Hernan Xavier, Iacopo Carusotto, Titas Chanda, Marcello Dalmonte,
• Abstract要約: 有限電場勾配を持つ単一モードキャビティにおける$nu=1/3$ラウリン状態のダイナミクスについて検討する。 FQH状態の位相的シグネチャは、非局所変調空洞真空変動に対して頑健である。 FQH相の中で低エネルギー励起スペクトルを探索することにより、新しい中性準粒子であるグラビトン・ポラリトンを同定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: Recent breakthrough experiments have demonstrated how it is now possible to explore the dynamics of quantum Hall states interacting with quantum electromagnetic cavity fields. While the impact of strongly coupled non-local cavity modes on integer quantum Hall physics has been recently addressed, its effects on fractional quantum Hall (FQH) liquids -- and, more generally, fractionalized states of matter -- remain largely unexplored. In this work, we develop a theoretical framework for the understanding of FQH states coupled to quantum light. In particular, combining analytical arguments with tensor network simulations, we study the dynamics of a $\nu=1/3$ Laughlin state in a single-mode cavity with finite electric field gradients. We find that the topological signatures of the FQH state remain robust against the non-local cavity vacuum fluctuations, as indicated by the endurance of the quantized Hall resistivity. The entanglement spectra, however, carry direct fingerprints of light-matter entanglement and topology, revealing peculiar polaritonic replicas of the $U(1)$ counting. As a further response to cavity fluctuations, we also find a squeezed FQH geometry, encoded in long-wavelength correlations. By exploring the low-energy excited spectrum inside the FQH phase, we identify a new neutral quasiparticle, the graviton-polariton, arising from the hybridization between quadrupolar FQH collective excitations (known as gravitons) and light. Pushing the light-matter interaction to ultra-strong coupling regimes we find other two important effects, a cavity vacuum-induced Stark shift for charged quasi-particles and a potential instability towards a density modulated stripe phase, competing against the phase separation driven by the Stark shift. Finally, we discuss the experimental implications of our findings and possible extension of our results to more complex scenarios.
• Abstract（参考訳）: 最近のブレークスルー実験は、量子電磁空洞場と相互作用する量子ホール状態のダイナミクスを探索する方法を実証している。 強く結合した非局所キャビティモードが整数量子ホール物理学に与える影響は近年研究されているが、分数量子ホール(FQH)液体、そしてより一般的には、物質の分数化状態に対する影響は未解明のままである。 本研究では、量子光に結合したFQH状態の理解のための理論的枠組みを開発する。 特に、解析的議論とテンソルネットワークシミュレーションを組み合わせることで、単一モードキャビティにおける$\nu=1/3$ Laughlin状態と有限電場勾配のダイナミクスを研究する。 FQH状態の位相的シグネチャは、量子化されたホール比抵抗の持続性によって示されるように、非局所的な空洞真空変動に対して頑健である。 しかし、エンタングルメントスペクトルは、光物質の絡み合いとトポロジーの直接指紋を持ち、U(1)$カウントの独特な極性的なレプリカが明らかになる。 キャビティ変動に対するさらなる応答として、長波長相関で符号化された圧縮されたFQH幾何も見出す。 FQH相内の低エネルギー励起スペクトルを探索することにより、四極性FQH集団励起(グラビトンとして知られる)と光のハイブリッド化から生じる新しい中性準粒子、グラビトン・ポラリトンを同定する。 超強結合系に光物質相互作用をプッシュすると、荷電準粒子に対する空洞真空誘起スタークシフトと密度変調ストライプ相への潜在的な不安定性という2つの重要な効果が得られ、スタークシフトによって引き起こされる相分離と競合する。 最後に,本研究の結果の実験的意義と,より複雑なシナリオへの拡張の可能性について論じる。

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