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物理学 > 光学

arXiv:2507.11271 (physics)
[提交于 2025年7月15日 (v1) ,最后修订 2025年7月17日 (此版本, v2)]

标题: 从束缚态到量子自旋模型:拓扑光子环中的手性相干动力学

标题: From Bound States to Quantum Spin Models: Chiral Coherent Dynamics in Topological Photonic Rings

Authors:Fatemeh Davoodi
摘要: 拓扑光子系统在存在无序的情况下为引导光提供了一个稳健的平台,但它们与量子发射器的相互作用仍然是实现强关联量子态的前沿领域。 在这里,我们研究了一个环形形状的Su-Schrieffer-Heeger(SSH)光子晶格,该晶格与多个量子发射器耦合,以控制拓扑保护的螺旋量子动力学。 使用一个包含级联Lindblad动力学和螺旋发射器-环境耦合的微观模型,我们揭示了环境的拓扑如何介导发射器之间的非互易、长程相互作用。 这些相互作用导致了丰富的多体自旋现象,包括鲁棒的相干性、方向性能量转移以及出现的双Néel有序,这些现象由从系统拓扑推导出的有效自旋哈密顿量捕捉到。 我们表明,拓扑束缚态能够实现单向发射,保护相干性免受耗散的影响,并在发射器之间印制非平凡的纠缠和互信息模式。 特别是,我们展示了在圆偏振激发下,发射器不仅从场中继承自旋角动量,还作为转换器,相干地将自旋轨道耦合的拓扑光子模式导入远场。 我们的结果建立了一个直接的桥梁,连接拓扑光子环境与出现的量子磁性,将这种架构定位为研究螺旋量子光学、拓扑保护的纠缠态和长程量子相干性的有前景的试验平台。
摘要: Topological photonic systems offer a robust platform for guiding light in the presence of disorder, but their interplay with quantum emitters remains a frontier for realizing strongly correlated quantum states. Here, we explore a ring-shaped Su-Schrieffer-Heeger (SSH) photonic lattice interfaced with multiple quantum emitters to control topologically protected chiral quantum dynamics. Using a full microscopic model that includes cascaded Lindblad dynamics and chiral emitter-bath couplings, we reveal how the topology of the bath mediates nonreciprocal, long-range interactions between emitters. These interactions lead to rich manybody spin phenomena, including robust coherence, directional energy transfer, and emergent double N\'eel ordering, captured by an effective spin Hamiltonian derived from the system topology. We show that topological bound states enable unidirectional emission, protect coherence against dissipation, and imprint nontrivial entanglement and mutual information patterns among the emitters. In particular, we showed that under circularly polarized excitation, the emitters not only inherit spin angular momentum from the field but also serve as transducers that coherently launch the spin-orbit-coupled topological photonic modes into the far field. Our results establish a direct bridge between topological photonic baths and emergent quantum magnetism, positioning this architecture as a promising testbed for studying chiral quantum optics, topologically protected entangled states, and long-range quantum coherence.
主题: 光学 (physics.optics) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci); 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2507.11271 [physics.optics]
  (或者 arXiv:2507.11271v2 [physics.optics] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.11271
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Fatemeh Davoodi [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 7 月 15 日 12:48:22 UTC (1,566 KB)
[v2] 星期四, 2025 年 7 月 17 日 12:20:15 UTC (1,566 KB)
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