[論文レビュー] Bose-Einstein condensation of exciton polaron-polaritons

Aleksi Julku, M. A. Bastarrachea-Magnani+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Strong Light-Matter Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2次元半導体マイクロカビティにおける電子-ホール励起状態によってドレスアップされた励起子ポラリトンが形成する準粒子、ポラリオン・ポラリトンのボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を調査している。非摂動的多体理論と非平衡凝縮体ダイナミクスを用いて、電子密度がポラリオン・ポラリトンのエネルギーと相互作用を強く変化させ、非線形挙動、安定および不安定な凝縮体領域、観測可能なヒステリシスを引き起こすことが示された。これらの現象は、現在の実験的設定で実現可能である。

ABSTRACT

Exciton polaritons in two-dimensional semiconductors inside microcavities are powerful platforms to explore hybrid light-matter quantum systems. Here, we study the Bose-Einstein condensation of polaron-polaritons, which are quasiparticles formed by the dressing of exciton polaritons by particle-hole excitations in a surrounding electron gas. Using a non-perturbative many-body theory to describe exciton-electron correlations combined with a non-equilibrium theory for the condensate, we show that the electrons strongly affect the condensate. This stems from the dependence of the polaron-polariton energy and the interaction between them on the electron density, which leads to highly nonlinear effects. We identify stable and unstable regimes of the condensate by calculating its excitation spectrum, and show that they result in prominent hysteresis effects when the electron density is varied. Our results should be readily observable using present experimental technology.

研究の動機と目的

• 電子ガスのスクリーニングが励起子ポラリトン系におけるボーズ・アインシュタイン凝縮の形成および安定性に与える影響を理解すること。
• 摂動論的でない方法で、電子密度がポラリオン・ポラリトンのエネルギーと相互作用に与える影響を調査すること。
• 励起スペクトル解析を通じて、安定および不安定な凝縮体領域を特定すること。
• 電子密度の変化に伴う凝縮体挙動におけるヒステリシスなどの実験的に観測可能なシグネチャーを予測すること。
• ポラリトン凝縮体に多体効果と非平衡ダイナミクスを統合した理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 2次元電子系における電子-励起子相関を記述する非摂動的多体理論を用いる。
• 開放量子系の理論枠組みを用いて、凝縮体の非平衡ダイナミクスを統合する。
• 安定性の境界を特定するために、凝縮体の励起スペクトルを計算する。
• 電子密度を関数としてポラリオン・ポラリトンのエネルギー分散と相互作用強度をモデル化する。
• 自己無撞撃的解を用いて、安定および不安定な凝縮体相の遷移をマッピングする。
• 電子密度の周期的変化に対する系の応答をシミュレートし、ヒステリシス効果を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子ガスの存在が、励起子ポラリトンのエネルギーおよび有効質量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 電子密度がポラリオン・ポラリトンのボーズ・アインシュタイン凝縮の安定性に与える影響は何か？
• RQ3 ポラリオン・ポラリトン系において、電子-励起子相関から非線形効果が生じ得るか？
• RQ4 電子密度をサイクルさせた際に、どのようなシグネチャー（例：ヒステリシス）が現れるか？
• RQ5 予測された現象は、現在の実験技術でどの程度観測可能か？

主な発見

• 電子密度がポラリオン・ポラリトンのエネルギーと相互作用を強く変化させ、顕著な非線形効果を引き起こす。
• 励起スペクトルから、電子密度に応じて明確に分かれる安定および不安定な凝縮体領域が明らかになった。
• 電子密度をサイクルさせることでヒステリシス効果が現れ、凝縮体に記憶様の挙動が見られることが示された。
• 非摂動的スクリーニングのため、電子ガスとポラリトン凝縮体の間で強いフィードバックが生じる。
• ヒステリシスや安定性遷移を含む予測された現象は、2次元半導体マイクロカビティの現在の実験的設定で達成可能である。
• 電子-励起子相関の全般的な影響を捉えるには、摂動論的でない取り扱いが不可欠である。