論文の概要: Zeeman polaritons as a platform for probing Dicke physics in condensed matter

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.17339v1
• Date: Wed, 25 Sep 2024 20:28:01 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-09-30 12:15:34.912749
• Title: Zeeman polaritons as a platform for probing Dicke physics in condensed matter
• Title（参考訳）: 凝縮物質中のディック物理を探索するためのプラットフォームとしてのゼーマン偏光子
• Authors: T. Elijah Kritzell, Jacques Doumani, Tobias Asano, Sota Yamada, Fuyang Tay, Hongjing Xu, Han Yan, Ikufumi Katayama, Jun Takeda, Andriy Nevidomskyy, Hiroyuki Nojiri, Motoaki Bamba, Andrey Baydin, Junichiro Kono,
• Abstract要約: スピン-ボソン系はディックモデルとより互換性があり、超強結合光-マッターハイブリッドに対して予測される現象の実験的実現を追求するボソン-ボソン系よりも有利であることを示す。 この結果は、スピン-ボソン系がディックモデルとより互換性があり、超強結合光-マッターハイブリッドに対して予測される現象の実験的実現を追求するボソン-ボソン系よりも有利であることを示している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.523996579776851
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The interaction of an ensemble of two-level atoms and a quantized electromagnetic field, described by the Dicke Hamiltonian, is an extensively studied problem in quantum optics. However, experimental efforts to explore similar physics in condensed matter typically employ bosonic matter modes (e.g., phonons, magnons, and plasmons) that are describable as simple harmonic oscillators, i.e., an infinite ladder of equally spaced energy levels. Here, we examine ultrastrong coupling between a coherent light mode and an ensemble of paramagnetic spins, a finite-multilevel system, in Gd$_3$Ga$_5$O$_{12}$. The electron paramagnetic resonance of Gd$^{3+}$ ions is tuned by a magnetic field into resonance with a Fabry--P\'erot cavity mode, resulting in the formation of spin--photon hybrid states, or Zeeman polaritons. We observe that the light--matter coupling strength, measured through the vacuum Rabi splitting, decreases with increasing temperature, which can be explained by the temperature-dependent population difference between the lower and higher-energy states, a trait of a finite-level system. This finding demonstrates that a spin--boson system is more compatible with the Dicke model and has advantages over boson--boson systems for pursuing experimental realizations of phenomena predicted for ultrastrongly coupled light--matter hybrids.
• Abstract（参考訳）: 2レベル原子のアンサンブルと量子化された電磁場の相互作用は、ディック・ハミルトンによって説明され、量子光学において広く研究されている問題である。 しかし、凝縮物質中の同様の物理を探索する実験では、通常ボソニック物質モード(フォノン、マグノン、プラズモンなど)を用いるが、これは単純な調和振動子、すなわち等間隔のエネルギー準位の無限のはしごとして記述できる。 本稿では、Gd$_3$Ga$_5$O$_{12}$において、コヒーレント光モードと準磁性スピンのアンサンブルの超強結合について検討する。 Gd$^{3+}$イオンの電子常磁性共鳴は、磁場によってFabry-P'erotキャビティモードとの共鳴に調整され、スピン-光子ハイブリッド状態またはゼーマン偏光子を形成する。 真空ラビ分割により測定された光物質結合強度は, 温度の上昇とともに低下し, 有限レベル系の特性である下高エネルギー状態と高エネルギー状態の温度依存性の差によって説明できる。 この結果は、スピン-ボソン系がディックモデルとより互換性があり、超強結合光-マッターハイブリッドに対して予測される現象の実験的実現を追求するボソン-ボソン系よりも有利であることを示している。

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