Cavitronics in low-dimensional systems

Eckhardt, Christian Johannes; Kennes, Dante Marvin; Sentef, Michael A.

doi:43291

Cavitronics in low-dimensional systems

Eckhardt, Christian Johannes^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Johannes Eckhardt, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kennes, Dante Marvin (Thesis advisor)^RWTH* ; Sentef, Michael A. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05146
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/986309/files/986309.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Eigenschaften von Materialien mit Hilfe von Licht zu kontrollieren ist eine vielversprechende Forschungs-richtung im Gebiet der Physik kondensierter Materie. Als eine neue Möglichkeit dies zu erreichen wurde die Verwendung optischer Kavitäten, in denen die Freiheitsgrade von Licht und Materie hybridisiert wer-den, vorgeschlagen. In dieser Dissertation untersuchen wir das Potential solcher Kontrolle durch Kavitäten für niedrigdimensionale elektronische Systeme - daher der Titel der Arbeit, der zu Deutsch Kavitronik in niedrigdimensionalen Systemen lautet. Zu diesem Zweck schlagen wir ein exakt lösbares minimales Modell für Kavitronik vor. Hier wird die Änderung des elektromagnetischen Feldes innerhalb einer Kavität durch eine einzelne bosonische Mode beschrieben, analog zu paradigmatischen Modellen im verwandten Feld der Quanten Optik. Wir bestimmen den exakten Grundzustand des Modells und identifizieren Observablen, mit Hilfe derer sich starke Kopplung zwischen den Elektronen und dem elektromagnetischen Feld in Spektroskopie oder Leitfähigkeitsmessungen überprüfen lässt. In einem nächsten Schritt untersuchen wir die Validität der näherungsweisen Verwendung einer einzelnen Mode in unserem Modell. Hierfür rechnen wir die Massenänderung eines Elektrons in unterschiedlich gestalteten Kavitäten aus, wobei wir das gesamte kontinuierliche elektromagnetische Feld beschreiben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Kavitäten, die das Licht in Oberflächenmoden komprimieren, gut durch eine einzelne Mode beschrieben werden können. Zusätzlich diskutieren wir eine Vorschrift mit der man die phenomenologische Kopplung an so eine einzelne Mode ausrechnen kann. Wir erweitern im Folgenden das vorherige minimale Modell zu einem wechselwirkenden Modell und analysieren die Hybridisierung zwischen elektronischem System und Photonen in einer Kavität. Dabei identifizieren wir bestimmte Fluktuationen im elektronischen System, die eine entscheidende Rolle für diese Hybridisierung spielen. Als konkrete Anwendung erforschen wir die Möglichkeit Supraleitung mit Hilfe von optischen Kavitäten zu induzieren oder zu verstärken. Wir untersuchen die Auswirkung der Hybridisierung von optisch aktiven Phononen und Photonen, die sogenannte Polaritonen bilden, auf die Wechselwirkung, die durch die Phononen übertragen wird. Ergänzend hierzu schlagen wir einen neuen Mechanismus für Licht-induzierte Supraleitung vor. Dieser Mechanismus basiert auf einem Boson, zum Beispiel einem Photon, das an einen elektronischen Übergang koppelt. Wir konzeptionieren ein Experiment, bestehend aus einer Kavität, die Licht in einer Oberflächenmode einschließt, mit dem unsere Vorhersagen getestet werden können. Der Beitrag, den diese Arbeit leistet, um das Feld der Kavitronik zu konkreten experimentellen Anwendungen zu bewegen, lässt sich in drei Kategorien unterteilen: (i) Die Phenomenologie von Kavitronik wird in minimalen Modellen erforscht; (ii) diese Modelle werden mit einer realistischen Beschreibung des elektromagnetischen Feldes verbunden, um optimale experimentelle Bedingungen für die Kavitronik zu finden; und (iii)es werden experimentell überprüfbare Vorhersagen gemacht.

Controlling material properties with light is a tantalizing goal of modern condensed matter physics. As a novel path to achieve this goal placing materials into optical cavities, effectively hybridizing light and matter degrees of freedom, has been put forward recently. In this thesis we explore the potential of such cavity engineering for low dimensional electronic systems – hence the term cavitronics. To this end we propose a minimal model for cavitronics. It accounts for the change of the electromagnetic field inside a cavity by coupling the electrons to a single bosonic mode in analogy to paradigmatic models in the related field of quantum optics. We find the exact ground state of the model and identify observables that allow the verification of strong coupling between the electrons and the photons of the cavity in spectroscopy or conductivity measurements. In a next step, we investigate the validity of single-mode models in the context of cavitronics. For this purpose we compute the mass change of itinerant electrons in different cavity setups taking the full continuum of modes of the electromagnetic field into account. Our results indicate the validity of a single mode approximation for describing the electromagnetic field confined in surface modes, such as in the case of surface phonon-polaritons. They further provide a recipe for obtaining the phenomenological light-matter coupling to that single mode. Extending our previous model to an interacting one, we analyze light-matter hybridization between electronic systems and photons in a cavity. We identify specific quantum fluctuations of the matter system to play a pivotal role for achieving such hybridization. As a concrete application we explore the propensity of an optical resonator to induce or enhance super-conductivity. We investigate how the hybridization of optically active phonons with the photons of a cavity, forming phonon-polaritons, affects their potential to mediate an effective attraction between the electrons. As an orthogonal route, we put forward a novel mechanism for photo-induced superconductivity. This mechanismis based on weak driving of a boson, such as a photon inside a cavity, coupling to an electronic transition. We propose a concrete and realizable experimental setup to test our predictions consisting of a cavity that confines light in a surface mode coupled to the two-dimensional material graphene. Through these points our work contributes to pushing the field of cavitronics towards concrete experimental realizations in a three-fold manner: (i) It establishes basic phenomenology of cavitronics in minimal models; (ii) connects these models to a realistic treatment of the electromagnetic field in order to identify ideal cavity setups; and (iii) makes experimentally testable predictions.

OpenAccess:
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