[論文レビュー] Asymmetric Rydberg blockade of giant excitons in Cuprous Oxide

Julian Heckötter, Valentin Walther+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 31被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、銅酸化物（Cu2O）内の巨大励起子における非対称なライドバーグ遮断を、二色光ポンププローブ励起法を用いて実証した。これにより、数マイクロメートルにわたる強い長距離相互作用を達成した。主な結果として、普遍的でべき乗則に従う多体状態の観測が得られ、遮断半径がマイクロメートルスケールにまで及び、種間相互作用の分光的シグネチャーと空間相関が確認された。

ABSTRACT

The ability to generate and control strong long-range interactions via highly excited electronic states has been the foundation for recent breakthroughs in a host of areas, from atomic and molecular physics [1, 2] to quantum optics [3, 4] and technology [5-7]. Rydberg excitons provide a promising solid-state realization of such highly excited states, for which record-breaking orbital sizes of up to a micrometer have indeed been observed in cuprous oxide semiconductors [8]. Here, we demonstrate the generation and control of strong exciton interactions in this material by optically producing two distinct quantum states of Rydberg excitons. This makes two-color pump-probe experiments possible that allow for a detailed probing of the interactions. Our experiments reveal the emergence of strong spatial correlations and an inter-state Rydberg blockade that extends over remarkably large distances of several micrometers. The generated many-body states of semiconductor excitons exhibit universal properties that only depend on the shape of the interaction potential and yield clear evidence for its vastly extended-range and power-law character.

研究の動機と目的

• 半導体励起子の長距離で強く相関した多体状態を固体プラットフォームで調べること。
• スペクトルシフトが空間相関を上回る固体系において、強い相互作用にアクセスする課題を克服すること。
• 異なる主量子数を有する2つの異なるライドバーグ励起子状態間で、非対称ライドバーグ遮断を実現・特徴付けること。
• 励起子間の相互作用ポテンシャルが、マイクロメートルスケールの距離で普遍的で長距離べき乗則的性質（V ∝ r⁻⁶）を示すことを実証すること。
• 1つの励起子種をプローブとして用い、他方の励起子によって誘発される空間相関と遮断効果を直接観測すること。

提案手法

• スペクトル幅が狭いレーザーを用いた二色光光学励起法を採用し、異なる量子状態（ポンプ：n′ = 16、プローブ：n = 6–20）にライドバーグ励起子を生成した。
• チョッパーで変調したポンプビームとロックイン検出を用い、相互作用に起因する変化を分離したプローブ透過率の差分ΔIを測定した。
• ポンプパワーを変化させながらプローブ吸収スペクトルを測定し、相互作用効果が励起子密度に与える依存関係をマップした。
• 平均場理論モデルを実験データと比較したが、強相関効果を捉えられなかった。
• 励起子ブロッキングと空間相関を考慮した相関に基づく理論モデルを用い、観測された普遍的スペクトル形状を説明した。
• データから空間相関関数g(2)(r)を抽出し、数マイクロメートルオーダーの拡張された遮断半径を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体状態材料内のライドバーグ励起子間の強い長距離相互作用を、二色光ポンププローブ分光法で調べることができるか？
• RQ2 Cu2Oの巨大励起子におけるライドバーグ遮断の空間的範囲はどの程度で、通常の原子スケールの範囲をはるかに超えるか？
• RQ3 異なるライドバーグ状態に存在する励起子間の種間相互作用が、プローブ光のスペクトル応答にどのように影響を与えるか？
• RQ4 観測された相互作用シグネチャーは、微視的詳細に依存しない普遍的スケーリング行動を示すか？これはべき乗則ポテンシャルの予測に一致するか？
• RQ5 相互作用が種内効果を上回る非対称遮断状態——すなわち、種間相互作用が支配的である状態——を実験的に実現・特徴付けられるか？

主な発見

• Cu2O励起子におけるライドバーグ遮断半径は数マイクロメートルにまで及び、通常の原子スケールの遮断範囲をはるかに超えている。
• 励起子間の相互作用ポテンシャルは、観測されたスペクトル形状と差分透過信号のスケーリングから、普遍的べき乗則的依存性V(r) ∝ r⁻⁶であると確認された。
• 測定された差分プローブ透過ΔIはポンプパワーに比例して増加し、強い種間相互作用と空間相関の存在を示している。
• 平均場理論は、固定周波数差ΔmaxおよびΔ0における普遍的ピークとノードを再現できないため、強相関多体効果の支配的性質を示している。
• ポンプとプローブ励起子間の空間相関関数g(2)(r)は、遮断半径未満の距離で顕著な遮断を示し、長距離量子相関の存在を確認した。
• 相互作用が異なるライドバーグ状態間で支配的である明確な非対称遮断が観測され、1つの種が他方の励起子を感度よくプローブできることが示された。