マルチモード光共振器における1次元気体の光媒介ペイエルス転移

Photon-Mediated Peierls Transition of a 1D Gas in a Multimode Optical Cavity.

• Colin Rylands
• Yudan Guo
• Benjamin L Lev
• Jonathan Keeling
• Victor Galitski

抄録

電荷密度波に対するペイエルス不安定性は、フォノン駆動の強相関物理学の典型的な例であり、トポロジカル量子物質やエキゾチック超伝導と密接に関係している。我々は、マルチモード共焦点空洞内に閉じ込められたボース原子やフェルミ原子の相互作用する一次元管のシステムを用いて、光子を媒介としたペイエルス転移を実現する方法を提案する。空洞を横方向に排気することで、空洞を媒介とした原子系の金属-絶縁体転移を実現した。Tonks-Girardeau極限の強い相互作用ボソンでは、この遷移は（フェルミオン化を介して）Peierls不安定性として理解できる。この計算を相互作用の強さの有限値まで拡張し、空洞場と質量ギャップの両方について解析的な式を導出した。その結果、無次元の物質-光結合に非自明な力価則依存性を示すことがわかった。

The Peierls instability toward a charge density wave is a canonical example of phonon-driven strongly correlated physics and is intimately related to topological quantum matter and exotic superconductivity. We propose a method for realizing an analogous photon-mediated Peierls transition, using a system of one-dimensional tubes of interacting Bose or Fermi atoms trapped inside a multimode confocal cavity. Pumping the cavity transversely engineers a cavity-mediated metal-to-insulator transition in the atomic system. For strongly interacting bosons in the Tonks-Girardeau limit, this transition can be understood (through fermionization) as being the Peierls instability. We extend the calculation to finite values of the interaction strength and derive analytic expressions for both the cavity field and mass gap. They display nontrivial power law dependence on the dimensionless matter-light coupling.