Quantum electrodynamical metamaterials

超材料 物理 联轴节(管道) 光子 量子 光电子学 量子力学 材料科学 冶金
作者
Josephine J. Yu,Jamison Sloan,Nicholas Rivera,Marin Soljačić
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (3)
标识
DOI:10.1103/physreva.108.033509
摘要

Recent experiments have revealed ultrastrong coupling between light and matter as a promising avenue for modifying material properties, such as electrical transport, chemical reaction rates, and even superconductivity. Here, we explore (ultra)strong coupling as a means for manipulating the optical response of metamaterials based on ensembles of constituent units individually in the ultrastrong-coupling regime. We develop a framework based on linear response for quantum electrodynamical systems to study how light-matter coupling affects the optical response. We begin by applying this framework to find the optical response of a two-level emitter coupled to a single cavity mode, which could be seen as a ``meta-atom'' of a metamaterial built from repeated units of this system. We find optical behavior ranging from that of a simple two-level system (Lorentz-oscillator) to effectively transparent, as the coupling goes from the weak to deep strong-coupling regimes. We explore a one-dimensional chain of these meta-atoms, demonstrating the tunability of its optical behavior. Our scheme may ultimately provide a framework for designing metamaterials with low-loss, highly confined modes, as well as tunable (single-photon) nonlinearities.

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