[論文レビュー] Collective excitations of exciton-polariton condensates in a synthetic gauge field

Dąbrówka Biegańska, Maciej Pieczarka+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 59被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、マイクロカビティの異方性によって誘導される合成ゲージ場下で、高密度の励振子ポラリトン凝縮体における集団励起状態を実験的に測定した。偏光分解能を有する光励起トモグラフィーを用いて、著者らは強く異方的な分散関係を観測し、スピンに依存する相互作用強度を抽出した。これにより、スピンオルビタルポラリトンの非線形領域におけるディラック・コーンに類似した交差および非アーベル的ゲージ場効果の理論的予測が裏付けられた。

ABSTRACT

Collective (elementary) excitations of quantum bosonic condensates, including condensates of exciton polaritons in semiconductor microcavities, are a sensitive probe of interparticle interactions. In anisotropic microcavities with momentum-dependent TE-TM splitting of the optical modes, the excitations dispersions are predicted to be strongly anisotropic, which is a consequence of the synthetic magnetic gauge field of the cavity, as well as the interplay between different interaction strengths for polaritons in the singlet and triplet spin configurations. Here, by directly measuring the dispersion of the collective excitations in a high-density optically trapped exciton-polariton condensate, we observe excellent agreement with the theoretical predictions for spinor polariton excitations. We extract the inter- and intra-spin polariton interaction constants and map out the characteristic spin textures in an interacting spinor condensate of exciton polaritons.

研究の動機と目的

• 合成ゲージ場とスピンに依存する相互作用が共存するスピンオルビタルポラリトン凝縮体の非線形領域を調べること。
• 制御された異方性下で運動量空間における集団励起状態の分散関係を測定すること。
• 実験データから三重項（α₁）および単重項（α₂）の相互作用強度を抽出すること。
• 相互作用する凝縮体におけるスピンテクスチャおよびゲージ場分布をマッピングすること。

提案手法

• 100 ps以上の狭い光子線幅を持つGaAsベースのマイクロカビティを4 Kに冷却し、異方的ポラリトン分散を解像できるようにした。
• 2次元の光学的トラップを形成するために、リング状に整形された非共鳴連続波レーザーを用いた。
• H/VおよびD/Aの偏光基底を用いて、擬スピン状態にアクセスする偏光分解能を有する光励起トモグラフィーを実施した。
• 像のレンズをモノクロメーターのスリットに対して相対的に移動させることで、運動量空間における分散関係を測定した。
• 実験データを、TE-TM分裂およびキャビティの異方性を含むスピンオルビタルハミルトニアン（式1）にフィットさせ、β、Ω、ϕを抽出した。
• 偏光強度からストokesパラメータS₁およびS₂を計算し、運動量空間における擬スピンテクスチャを再構成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度の励振子ポラリトン凝縮体が合成ゲージ場下で示す集団励起状態は、どのように振る舞うか？
• RQ2 スピンに依存する相互作用（α₁、α₂）は、励起分散関係およびスピンテクスチャにどのような役割を果たすか？
• RQ3 予測された異方的ディラック・コーンに類似した交差および非アーベル的ゲージ場効果は、非線形領域で実験的に観測可能か？
• RQ4 測定された分散関係は、スピンオルビタルポラリトン励起状態の理論的予測とどのように一致するか？

主な発見

• 集団励起状態の測定された分散関係は強い異方性を示し、異方性軸に平行な方向（k∥）にディラック・コーンに類似した交差が観測され、理論的予測と整合的であった。
• 三重項相互作用強度はα₁ = (14.89 ± 0.92) µeV µm⁻²、単重項相互作用強度はα₂ = (28.1 ± 2.2) µeVとして抽出され、|α₂| ≪ α₁が確認された。
• 運動量空間における交差点はk*∥ = 0.971 µm⁻¹で観測され、これはTE-TM分裂と光学的異方性効果が相殺される点に対応していた。
• 偏光分解能トモグラフィーにより、特徴的なモノポール的擬スピンテクスチャが特異点の周囲に観測され、有効な非アーベル的ゲージ場の存在が裏付けられた。
• 異方性軸は+x軸からϕ = −15°と特定され、サンプルの配置と一致しており、モデルと整合的であった。
• 実験データは、合成ゲージ場下におけるスピンオルビタルポラリトン励起状態の理論モデルと優れた一致を示し、非線形領域における予測の妥当性が検証された。