[論文レビュー] Controllable half-vortex lattices in an incoherently pumped polariton condensate

Jonathan Keeling, Natalia G. Berloff|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2011

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、スピン子秩序パラメータの同期-非同期遷移を利用することで、非一様ポンプによる極子凝縮系において、半バッジング・ラティスを制御的に生成・操作する手法を提案する。ポンプスポットの幾何学的形状を調整し、外部磁場を印加することで、静的バッジング・ラティスと半バッジング・ラティスの間を遷移させることができ、非平衡量子系における特異なスピンテクスチャの決定的設計を可能にする。

ABSTRACT

We show how the transition between synchronized and desynchronized states of a spinor polariton condensate can be used to drive a transition between stationary vortex lattices and half-vortex lattices. This provides a way to control polariton spin textures by a combination of pump spot profile and applied magnetic fields. To do this, we extend the model of non-equilibrium spinor condensates to include relaxation, and study how this affects the desynchronization transition. We discuss how the pattern formation can be explained by behavior of the homogeneous system.

研究の動機と目的

• 非一様ポンプによるスピン子極子凝縮系において、整数バッジング・ラティスと半バッジング・ラティスの間を制御的に遷移させることを示すこと。
• 同期-非同期遷移が半バッジング・ラティスの形成を可能にする役割を特定すること。
• 磁場とポンププロファイルの幾何学的形状を用いて、半バッジング・ラティスの出現と安定性を独立に制御できることを示すこと。
• 非平衡スピン子凝縮系モデルに緩和ダイナミクスを組み込み、均一系の挙動によってパターン形成を説明すること。
• 極子系において、不純物に起因する安定化を受けていないクリアな半バッジング・バッジングを実験的に観測するための理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• リザボアダイナミクスから導かれるパラメータを用いて、エネルギー依存性の増幅と緩和を含む非平衡効果を組み込んだ複素ギンツブルグ＝ランダウ方程式（cGLE）に適合させること。
• クロス偏光増幅項と緩和率ηを含むスピン子cGLEモデルを導入し、極子凝縮系の非平衡ダイナミクスを記述すること。
• ψ± = √ρ± e^{i(ϕ±θ/2)} のパラメータ化を用いて位相と密度のダイナミクスを分離し、偏光成分間のジョセフソン的振動の解析を可能にする。
• 同期状態の線形安定性解析を実施し、非同期化と再同期化の開始を特定する臨界磁場Ωc1およびΩc2を導出すること。
• 大Ω⊥極限における凝縮状態密度ρ−のモデル化により、Ωc2の解析的推定値を算出し、それが緩和率ηおよび系のパラメータに依存することを示すこと。
• Larionovら（2010）の実験的パラメータに一致させることで理論的予測と実験的観測を結びつけ、観察された遷移が平衡状態の円形凝縮ではなく非同期化遷移である可能性を示唆すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非平衡スピン子極子凝縮系における同期-非同期遷移が、整数バッジング・ラティスと半バッジング・ラティスの間の遷移を駆動できるか？
• RQ2 緩和ダイナミクス（パラメータηを介して）を組み込むと、系における非同期化の臨界磁場にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ポンプスポットの幾何学的形状と磁場を用いて、半バッジング・ラティスの形成と安定性をどの程度独立に制御できるか？
• RQ4 Larionov ら（2010）で観察された遷移を、平衡状態の円形凝縮遷移ではなく非同期化遷移として再解釈できるか？
• RQ5 均一系の挙動が、非一様ポンプによる極子凝縮系における観測されたパターン形成を説明する上で果たす役割は何か？

主な発見

• Ωc1 ≈ 2U1Ω∥/(Γs − Γx) における非同期化遷移により、同期状態のバッジング状態から半バッジング・ラティスが出現する。
• 再同期化遷移であるΩc2 ≈ [(γ−κ)/η] × [(Γs−Γx)+2ηU1]/[Γs+Γx+2η(U0−U1)] は緩和率ηに依存し、ηが増加するにつれてΩc2が減少する。
• ηが小さい場合、臨界磁場Ωc1は凝縮状態密度に依存しないが、Ωc2と平衡状態の臨界磁場は密度に比例して増加するため、非同期化遷移と平衡状態遷移を区別するための診断ツールが得られる。
• Larionov ら（2010）の実際のパラメータを用いたモデル予測により、非同期化遷移は実験的に観測可能であり、既存のデータにすでに観察されている可能性がある。
• 時間平均偏光度では同期状態と非同期状態を区別できない。代わりに、偏光の揺らぎと周波数分裂が非同期化遷移の主要な指標である。
• 提案された手法により、不純物に起因する安定化を受けていない、決定的かつクリアで制御可能な半バッジング・ラティスの形成が非一様ポンプ系で可能になる。