時間変調された光メディアにおける新たな光-物質相互作用を発見(IBS Researchers Reveal New Light-Matter Interaction in Time-Modulated Photonic Media)

2025-11-17 韓国基礎科学研究院(IBS)

韓国・IBSの研究チームは、時間的に光学特性が周期変調されるフォトニック時間結晶(PTC)において、従来の光・物質相互作用の概念を覆す新現象を発見した。PTC中では、原子の自発放出が運動量ギャップ周波数付近で大幅に増強されるほか、原子が時間変調からエネルギーを吸収しつつ光を放つ自発放出励起(spontaneous emission excitation)が生じることが明らかになった。これは静的環境では起こり得ない現象である。さらに、非エルミート物理や例外点が放出特性に重要な役割を果たすこと、また従来予測されていた「バンド端で自発放出が消失する」という見解は、フロケモードの非直交性(ペターマン因子)によって覆され、実際には有限かつ増強されることが示された。本成果は、時間変調を用いた新たな光制御手法を開くもので、量子光学や時間変調フォトニクス、低消費電力光源への応用が期待される。

時間変調された光メディアにおける新たな光-物質相互作用を発見(IBS Researchers Reveal New Light-Matter Interaction in Time-Modulated Photonic Media)
Figure 1. (a) Time-periodic modulation of the permittivity ε(t) forms a momentum-gap region. (b) In the high-loss regime, positive kDOS enhances spontaneous emission. (c) In the low-loss regime, negative kDOS indicates spontaneous emission excitation, where atoms absorb energy from time modulation while emitting photons. This process arises from non-Hermitian dynamics and non-orthogonal Floquet modes near exceptional-point boundaries.

<関連情報>

フォトニック時間結晶における自然放出光の減衰と励起 Spontaneous Emission Decay and Excitation in Photonic Time Crystals

Jagang Park, Kyungmin Lee, Ruo-Yang Zhang, Hee-Chul Park, Jung-Wan Ryu, Gil Young Cho, Min Yeul Lee, Zhaoqing Zhang, Namkyoo Park et al.
Physical Review Letters  Published: 22 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/5v2w-yg7v

Abstract

Over the last few decades, the predominant strategies for controlling spontaneous emission have involved tailoring the spatial surroundings of quantum emitters or atoms to create resonant or spatially periodic photonic structures. However, the rise of time-varying photonics has prompted a reevaluation of spontaneous emission in dynamically changing environments, especially within photonic time crystals, where optical properties undergo time-periodic modulation. Here, we apply classical light-matter interaction theory together with Floquet analysis to reveal a substantial enhancement of the spontaneous emission decay rate at the momentum gap frequency in photonic time crystals. Moreover, our findings suggest that photonic time crystals enable a nonequilibrium light-matter interaction process: the spontaneous excitation of an atom from its ground state to an excited state, accompanied by the concurrent emission of a photon, referred to as spontaneous emission excitation.

1700応用理学一般
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