[論文レビュー] Cavity Optomechanics with Polariton Bose-Einstein Condensates

D. L. Chafatinos, А. С. Кузнецов+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、マイクロカビティ内の20 GHzの機械的振動モードと結合した励起子極化子のボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を用いて、コherentカビティ極化子オプトメカニクスの初の実験的実現を示した。非共鳴レーザー励起を用いることで、システムはオプトメカニカルに誘導された増幅と機械的自己発振を示し、Mollowトリプレットに類似た機械的サイドバンドを発生させた。特に、基本モードの高調波に一致する周囲のトラップを赤デチューニングすることで、サイドバンドの放射が増強された。

ABSTRACT

We report the experimental study of a hybrid quantum solid state system comprising two-level artificial atoms coupled to cavity confined optical and vibrational modes. In this system combining cavity quantum electrodynamics and cavity optomechanics, excitons in quantum wells play the role of the two-level atoms and are strongly coupled to the optical field leading to mixed polariton states. The planar optical microcavities are laterally microstructured, so that polaritons can be confined in wires, 3D traps, and arrays of traps, providing an additional tuning degree of freedom for the polariton energies. Upon increasing the non-resonant laser excitation power, a Bose-Einstein condensation of the polaritons is observed. Optomechanical induced amplification type of experiments with an additional weak laser probe clearly identify the coupling of these Bose-Einstein condensates to 20~GHz breathing-like vibrations confined in the same cavities. With single continuous wave non-resonant laser excitation, and once the laser power overpasses the threshold for Bose-Einstein condensation in trap arrays, mechanical self-oscillation similar to phonon ``lasing'' is induced with the concomitant observation of Mollow-triplet type mechanical sidebands on the Bose-Einstein condensate emission. High-resolution spectroscopic photoluminescence experiments evidence that these vibrational side-band resolved lines are enhanced when neighboring traps are red-detuned with respect to the BEC emission at overtones of the fundamental 20 GHz breathing mode frequency. These results constitute the first demonstration of coherent cavity polariton optomechanics and pave the way towards a novel type of hybrid devices for quantum technologies, phonon lasers, and phonon-photon bidirectional translators.

研究の動機と目的

• 極化子BECを用いて、カビティ量子電磁力学とカビティオプトメカニクスを組み合わせたハイブリッド量子系を探索すること。
• マイクロカビティトラップに閉じ込められた極化子BECを介して、固体系プラットフォーム上で強いオプトメカニカル結合を実現すること。
• オプトメカニカル系におけるMollowトリプレットに類似した構造と同様の、機械的自己発振とコherentサイドバンド放射を実証すること。
• 基本振動モードの高調波に一致する周囲のトラップモードをデチューニングすることで、オプトメカニカル結合を強化する条件を同定すること。

提案手法

• 量子井戸を含む平面状半導体マイクロカビティを用い、励起子極化子とカビティ光子との強い結合を形成した。
• 横方向のマイクロリソグラフィーを設計して、1次元ワイヤ、3次元トラップ、およびトラップアレイを形成し、空間的閉じ込めと極化子エネルギーの調整を可能にした。
• 非共鳴連続波レーザー励起を用いて、BECの閾値を超える励起を行い、マクロな量子凝縮を誘発した。
• 弱いプローブレーザーを用いた高分解能フォトンルミネッセンス分光法により、オプトメカニカルに誘導された増幅およびサイドバンドを検出した。
• ハミルトニアンに極化子-BECモード、機械的振動、および $\hat{H}_{\text{int}} = -\hbar G \hat{p}_{2}^\dagger \hat{p}_{1} \hat{b}_{m}^\dagger + \text{h.c.}$ を介したオプトメカニカル結合を含めるモデルを構築した。ここで $G$ は極化子混合角に依存する。
• 非枯渇ポンプ近似を適用し、自己発振閾値を予測する有効オプトメカニカルコoperativity $C = 4N_1|G|^2/(κ_2\Gamma_m)$ を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 励起子極化子のボーズ・アインシュタイン凝縮は、マイクロカビティオプトメカニカル系において、コherentな機械的自己発振を誘発できるか？
• RQ2 トラップ間結合とデチューニングは、極化子BECにおける機械的サイドバンド放射を強化する役割を果たすか？
• RQ3 BECからの放射における機械的サイドバンドは、強いオプトメカニカル結合のため、Mollowトリプレットに類似した構造を示すか？
• RQ4 極化子ベースのオプトメカニカル設定において、システムのコペラティビティは極化子密度と結合強度にどのように依存するか？
• RQ5 特定のデチューニング条件下では、高次のオプトメカニカル相互作用（例：フォノンに対して二次の項）が支配的になるか？

主な発見

• 励起閾値を超えた際、極化子BECで機械的自己発振が観測され、コherentな機械モード増幅が示された。
• フォトンルミネッセンススペクトルでMollowトリプレットに類似した機械的サイドバンドが解像され、強いオプトメカニカル結合とコherentなダイナミクスが確認された。
• 周囲のトラップを基本モード周波数（20 GHz）の整数倍に赤デチューニングした場合、サイドバンドの放射が増強された。
• BECの大きなコherentな粒子数のおかげで、短い光子寿命の中でもオプトメカニカルコペラティビティ $C$ が強化され、強い結合が実現した。
• 理論的モデルは、自己発振閾値が $C = 4N_1|G|^2/(κ_2\Gamma_m)$ に従うことを確認した。ここで $N_1$ はポンプパワーに比例する。
• 特定のデチューニング条件（例：$\Omega_1 - \Omega_2 = 2\omega_m$）では、$G_2 \hat{p}_2^\dagger \hat{p}_1 (\hat{b}_m^\dagger)^2$ のような高次のオプトメカニカル項が顕著になる可能性があると同定された。