Topology and symmetry-breaking in the strong light-matter coupling regime

Abstract

The physics of light-matter interactions is a rapidly developing research area at the junction between condensed matter physics and quantum optics. Depending on the strength of the light-matter interaction the systems behave very differently. In the current thesis, we mainly (but not exclusively), focus on the regime of (ultra)strong light-matter interaction. Typically, the strong coupling regime implies the employment of various low-dimensional semiconductor structures embedded into a microcavity, or irradiation by a strong laser field, or considering cold atoms, trapped in the vicinity of a waveguide. In the current thesis, we investigate various quantum systems and phenomena in the (ultra)strong coupling regime, including: 1)topological insulator based on a two-dimensional array of dressed quantum rings; 2)the new type of a polariton Z topological insulator; 3)Bose-Einstein condensate in a tilted polariton ring; 4)chiral waveguide quantum optomechanics; 5)the new type of a Hall effect for composite particles (excitons), that we refer to as the anomalous exciton Hall effect; 6)transition metal dichalcogenide polaritons in the presence of free carriers; and other related phenomena.Eðlisfræði víxlverkunar ljóss og efnis þróast hratt sem rannsóknarsvið á mörkum þéttefnisfræði og skammtaljósfræði. Hegðun eðlisfræðikerfa þar sem þessi víxlverkun á við er mjög mismunandi og fer eftir styrkleika þess. Í þessari ritgerð, skoðum við aðallega svið ofursterkrar víxlverkunar ljóss og efnis án þess að einskorða okkur við það. Svið ofursterkrar víxlverkunar ljóss og efnis gefur almennt til kynna notkun á ýmsum lágvídda hálfleiðarakerfum, ágeislun með sterku leysissviði, eða kaldar frumeindir í gildru nálægt bylgjuleiðurum. Ritgerð þessi fjallar um rannsóknir okkar á mismunandi skammtakerfum og fyrirbærum í sviði ofursterkrar kúplunar, svo sem: 1) grenndareinangrara byggða á tvívíðri grind af ágeisluðum skammtahringjum; 2) nýja tegund Z grenndareinangrara byggða á ljósskauteindum; 3) Bose-Einstein þéttingu í hallandi hring ljósskauteindahring; 4) skammtaljósaflfræði með hendnum bylgjuleiðara; 5) nýja tegund Hallhrifa fyrir samsettar eindir (örveindir), sem við köllum afbrigðileg Hallhrif örveinda; 6) hliðarmálms díkalkogeníða (TMD) ljósskauteindir í nærveru frjálsra rafbera; og fleiri tengd fyrirbæri.