[論文レビュー] Bose Polaron Interactions in a Cavity-Coupled Monolayer Semiconductor

Li Bing Tan, Oriana K. Diessel+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2022

Strong Light-Matter Interactions被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、単層MoSe2半導体中の励起子ポラリトン不純物間の反発的相互作用が、コherentなポラリトン浴と強い結合することで引力的相互作用に逆転し、ボーズポラリオンを形成することを示している。時間分解ポンププローブ分光法とバイキシトンフェシュバッハ共鳴を用いて、著者らはポラリオン-ポラリオン相互作用を直接測定し、強結合領域における準粒子間の反発的から引力的への遷移を明らかにした。これは、いかなる系に対してもこの種の相互作用の直接測定が初めてである。

ABSTRACT

The interaction between a mobile quantum impurity and a bosonic bath leads to the formation of quasiparticles, termed Bose polarons. The elementary properties of Bose polarons, such as their mutual interactions, can differ drastically from those of the bare impurities. Here, we explore Bose polaron physics in a two-dimensional nonequilibrium setting by injecting $σ^-$ polarised exciton-polariton impurities into a bath of coherent $σ^+$ polarised polaritons generated by resonant laser excitation of monolayer MoSe$_2$ embedded in an optical cavity. By exploiting a biexciton Feshbach resonance between the impurity and the bath polaritons, we tune the interacting system to the strong-coupling regime and demonstrate the coexistence of two new quasiparticle branches. Using time-resolved pump-probe measurements we observe how polaron dressing modifies the interaction between impurity polaritons. Remarkably, we find that the interactions between high-energy polaron quasiparticles, that are repulsive for small bath occupancy, can become attractive in the strong impurity-bath coupling regime. Our experiments provide the first direct measurement of Bose polaron-polaron interaction strength in any physical system and pave the way for exploration and control of many-body correlations in driven-dissipative settings.

研究の動機と目的

• 駆動・散逸的で非平衡な量子系における準粒子間の多体相互作用を調査すること。
• 根本的に反発的である不純物間に、ボーズポラリオンの形成が引力的相互作用を媒介できるかどうかを検討すること。
• 固体状態のキャビティ結合単層半導体におけるポラリオン-ポラリオン相互作用の強さと符号を測定すること。
• 強い結合とポラリオンドレスティングが、摂動的でない領域を超えて有効な相互作用をどのように変化させるかを検討すること。

提案手法

• MoSe2単層にσ−偏光のプローブパルスを用いた時間分解ポンププローブ分光法により、K′-バリエーションの励起子ポラリトン不純物の密度を制御的に生成すること。
• σ+偏光の下位ポラリトンの浴を共鳴レーザー励起することで、コherentな多体環境を生成すること。
• バイキシトンフェシュバッハ共鳴を用いて、不純物と浴のポラリトン間の相互作用強度を強結合領域にチューニングすること。
• ポンプ-プローブ遅延および不純物密度を関数としての透過スペクトルを測定し、ポラリオン準位エネルギーと相互作用シフトを抽出すること。
• 有限なポラリオン密度を考慮した拡張ボーズポラリオン理論に基づく理論的モデリング。非摂動的ドレスティング効果を含む。
• 0次元のファイバーキャビティを用い、DBRコーティングを施したフusedシリカ基板とグラフェンバックゲートを組み合わせて、キャビティのデチューニングおよび電子的性質を制御すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体系において、多体ドレスティングによって準粒子間の相互作用符号が反発的から引力的へと逆転できるか？
• RQ2 不純物密度と結合強度が増加するにつれて、ポラリオン-ポラリオン相互作用はどのように変化するか？
• RQ3 励起子の散逸的性質が、ポラリオン像における引力的相互作用の出現にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 駆動・散逸的量子系において、ポラリオン-ポラリオン相互作用強度の直接実験的測定は何か？

主な発見

• 高エネルギーの反発的ボーズポラリオン間の相互作用が、強結合領域において引力的へと逆転し、多体的吸引の出現を示した。
• 固体系においてボーズポラリオン-ポラリオン相互作用強度の最初の直接実験的測定が達成された。
• ポラリオンドレスティングは、高エネルギー準粒子間の有効な相互作用強度を低下させ、強結合領域で符号の逆転が発生した。
• 理論的モデリングにより、ポラリオン形成が引力的相互作用を媒介していることが確認され、励起子の散逸的性質は僅かな寄与にとどまった。
• システムは、強結合領域で共存する2つの異なる準粒子分岐（反発的および引力的ポラリオン）を示した。
• プローブ透過スペクトルにおける共鳴エネルギーのシフトが不純物密度に比例し、有限密度のポラリオンガスの形成が確認された。