論文の概要: Quantum theory for nonlinear optical effects in the ultra-strong light-matter coupling regime

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.08297v1
• Date: Wed, 11 Dec 2024 11:17:38 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-12 14:00:48.352487
• Title: Quantum theory for nonlinear optical effects in the ultra-strong light-matter coupling regime
• Title（参考訳）: 超強光物質結合系における非線形光学効果の量子理論
• Authors: Thomas Krieguer, Yanko Todorov,
• Abstract要約: 半導体量子井戸ヘテロ構造における非線形光学現象の微視的量子論を示す。 本研究では,高密度マイクロキャビティ結合電子系における非線形変換効率を最適化するための新しい設計原理を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: We present a microscopic quantum theory for nonlinear optical phenomena in semiconductor quantum well heterostructures operating in the regime of ultra-strong light matter coupling regime. This work extends the Power-Zienau-Wooley (PZW) formulation of quantum electrodynamics to account for nonlinear interactions based on a fully fermionic approach, without resorting to any bosonization approximation. It provides a unified description of the microcavity and the local field enhancement effects on the nonlinear optical response, thus encompassing the phenomena known as epsilon near zero (ENZ) effect. In particular, our theory describes the impact of the light-matter coupled states on the high frequency generation process, relevant for recent experimental investigations with polaritonic metasurfaces. We unveil the limitations of traditional single-particle approaches and propose novel design principles to optimize nonlinear conversion efficiencies in dense, microcavity-coupled electronic systems. The theoretical framework developed here provides an efficient tool for the development of advanced quantum optical applications in the mid-infrared and terahertz spectral domains. Furthermore, it establishes a foundation for exploring the quantum properties of the ultra-strong light-matter regime through frequency-converted polariton states.
• Abstract（参考訳）: 超強光物質結合状態下で動作する半導体量子井戸構造における非線形光学現象の微視的量子論を示す。 この研究は、量子電磁力学のパワー・ジエナウ・ウーリー(英語版)(PZW)の定式化を拡張し、完全なフェルミオン的アプローチに基づく非線形相互作用をボゾン化近似に頼らずに考慮した。 これはマイクロキャビティと非線形光学応答に対する局所場増強効果を統一的に記述し、エプシロン(en:Epsilon near zero (ENZ))効果と呼ばれる現象を包含する。 特に,光物質結合状態が高周波発生過程に与える影響について述べる。 従来の単一粒子アプローチの限界を明らかにし、高密度マイクロキャビティ結合電子系における非線形変換効率を最適化するための新しい設計原理を提案する。 ここで開発された理論的枠組みは、中赤外およびテラヘルツスペクトル領域における高度な量子光学応用を開発するための効率的なツールを提供する。 さらに、周波数変換された偏光子状態を通じて超強光物質状態の量子的性質を探索する基盤を確立する。

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