論文の概要: Light-Matter Interactions Beyond the Dipole Approximation in Extended Systems Without Multipole Expansion

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.10271v1
• Date: Tue, 10 Mar 2026 23:00:48 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-12 16:22:32.717006
• Title: Light-Matter Interactions Beyond the Dipole Approximation in Extended Systems Without Multipole Expansion
• Title（参考訳）: 多重極展開のない拡張系における双極子近似を超えた光-物質相互作用
• Authors: Rishabh Dora, Roman Korol, Vishal Tiwari, Rahul Chourasiya, Ignacio Franco,
• Abstract要約: 電気双極子近似(EDA)を超える光-物質相互作用を捉えるための一般的な理論的枠組みを提案する。 EDAは、光が物質に伝搬するとき、均一に照射された1-Dまたは2-D材料に対して極めて堅牢であることがわかった。 提案手法は,標準双極子計算の計算コストにおいて,双極子を越えた光-物質相互作用を捉える。
• 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: We present a general theoretical framework to capture light-matter interactions beyond the electric-dipole approximation (EDA), applicable to extended nano- and microscale materials interacting with spatially structured electric fields without truncation at finite multipolar order. The approach is based on the Power-Zienau-Woolley (PZW) Hamiltonian for light-matter interactions and a representation of the material's Hamiltonian in a basis of maximally localized Wannier functions (MLWFs), obtainable from first-principles calculations. We utilize this approach to clarify the limitations of the ubiquitous dipole approximation. We consider electric fields with both uniform and non-uniform intensities and a range of ratios of system size to the wavelength of light. Through this analysis, we identify the conditions under which the EDA breaks down, leading to significant errors in the light-induced dynamics. Contrary to conventional belief, we find that the EDA is remarkably robust for uniformly illuminated 1-D or 2-D materials when light propagates perpendicular to the material. For 3-D materials or non-perpendicular illumination of lower-dimensional materials, conventional wisdom holds and the EDA begins to break down when the wavelength becomes comparable to the system size. Furthermore, the EDA fails when the material is illuminated partially or non-uniformly. For slowly varying field intensities this failure can be corrected by finite-order multipolar corrections. However, for fields that vary substantially, correcting via multipolar terms becomes computationally impractical. In contrast, our approach captures beyond-dipole light-matter interactions at the computational cost of a standard dipole calculation. This efficiency enables accurate first-principles simulations of spatially structured light-matter dynamics in nanoscale devices, quantum materials, and interfaces.
• Abstract（参考訳）: 電気-双極子近似(EDA)を超えて光-物質相互作用を捉えるための一般的な理論的枠組みを,有限多極性で切り離すことなく空間的に構造された電場と相互作用する拡張ナノ・マイクロスケール材料に適用する。 このアプローチは、第一原理計算から得られる最大局所化ワニエ関数(MLWF)に基づいて、光-物質相互作用と材料ハミルトンの表現のためのパワー-ジエナウ-ウーリー(PZW)ハミルトニアンに基づいている。 この手法を用いて、ユビキタス双極子近似の限界を明らかにする。 均一かつ非均一な強度を持つ電場と、光の波長に対する系の大きさの比を考察する。 この分析により、EDAが故障する条件を特定し、光誘起力学に重大な誤差をもたらす。 従来の考え方とは対照的に,光が垂直に伝搬する場合,EDAは均一に1-Dまたは2-Dの材料に極めて堅牢であることがわかった。 低次元材料の3次元材料や非垂直照明では、従来の知恵が保たれ、EDAは波長がシステムサイズに匹敵するようになると分解し始める。 さらに、EDAは、材料が部分的に又は一様でないときに故障する。 ゆっくりと変化する場の強度に対して、この失敗は有限階の多重極補正によって補正することができる。 しかし、大きく異なる分野の場合、多極項による補正は計算的に非現実的になる。 対照的に,本手法は標準双極子計算の計算コストにおいて,超双極子間相互作用を捉える。 この効率は、ナノスケールデバイス、量子材料、界面における空間的に構造化された光マターダイナミクスの正確な第一原理シミュレーションを可能にする。

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