[論文レビュー] Dipole excitons in coupled quantum wells: toward an equilibrium exciton condensate

David W. Snoke|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2012

Strong Light-Matter Interactions参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、カップルド量子井戦で形成されるドーピュール励起子における平衡状態ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）の追求をレビューする。長寿命な間接励起子は電気双極子相互作用を介し、熱化および凝縮の可能性を可能にする。強力なコherenceと増幅されたトンネル効果の証拠はあるが、BECの明確な実証は未だ得られておらず、長寿命で安定した準粒子を有する双極子系における多体効果の理解を深める必要がある。

ABSTRACT

In recent years, experiments by several groups have demonstrated spontaneous coherence in polariton systems, which can be viewed as a type of nonequilibrium Bose-Einstein condensation. In these systems, the polariton lifetime is longer than, but not much longer than, the polariton-polariton scattering time which leads to the thermalization. By contrast, over the past twenty years several groups have pursued experiments in a different system, which has very long exciton lifetime, up to 30 microseconds or more, essentially infinite compared to the thermalization time of the excitons. Thermal equilibrium of this type of exciton in a trap has been demonstrated experimentally. In this system, the interactions between the excitons are not short-range contact interactions, but instead are dipole-dipole interactions, with the force at long range going as $1/r^{3}$. Up to now there has not been a universally accepted demonstration of BEC in this type of system, and the way forward will require better understanding of the many-body effects of the excitons. I review what has been learned and accomplished in the past two decades in the search for an equilibrium BEC in this promising system.

研究の動機と目的

• カップルド量子井戦内のドーピュール励起子における平衡状態ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を達成するために、実験的および理論的進展をレビューすること。
• 長寿命で安定した励起子が、関連系における非平衡効果が存在する中でも、熱化および凝縮の可能性がある条件を分析すること。
• 特に多体効果と不純物の役割に注目し、双極子励起子系におけるBECの実証における主な課題を特定すること。
• 輸送および干渉測定が、これらの系における凝縮の決定的兆候として果たす可能性を評価すること。
• 2次元双極子系における強い相関する量子相を研究するためのプラットフォームとして、ドーピュール励起子系の可能性を強調すること。

提案手法

• カップルド量子井戦における励起子の寿命および熱化 timescale の理論的分析を行い、長寿命励起子を有する系と短寿命ポラリトンを比較する。
• 間接励起子の挙動を解釈するためのBCS-BECクロスオーバー枠組みの使用、特にペアリングと凝縮の文脈での応用。
• 双極子相互作用（$1/r^3$）を系の支配的相互作用とモデル化し、ポラリトン系における短距離接触相互作用と対比する。
• 増幅されたトンネル効果やクーロンドラッグ共鳴といった実験的兆候を、コherenceおよび凝縮の可能性の指標として分析する。
• 高密度領域における不純物がスクリーニングされる状況で、凝縮の観測可能な効果を予測するための流体力学的および輸送モデルの適用。
• 二層励起子系を光励起系および高温超伝導体と比較し、既知のBECおよびBCS状態との類似性を導く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長寿命および双極子相互作用を有するカップルド量子井戦内のドーピュール励起子において、平衡状態ボーズ・アインシュタイン凝縮が達成可能か？
• RQ2 多体効果および不純物は、これらの系における凝縮を抑制するか、あるいは促進するか？
• RQ3 観測された増幅トンネル効果およびクーロンドラッグ共鳴は、コherenctな凝縮の形成とどのように関係しているか？
• RQ4 ジョセフソン的干渉や量子渦といった輸送測定が、これらの系におけるBECの決定的証明をどの程度提供できるか？
• RQ5 BCS-BECクロスオーバー枠組みは、磁場中における間接励起子にどのように適用可能か、特にランダウ準位の充満度の文脈で。

主な発見

• カップルド量子井戦内の間接励起子は、最大30マイクロ秒の寿命を示し、ピコ秒〜ナノ秒のスケールの熱化 timescale よりもはるかに長く、熱的平衡状態を実現可能にする。
• 電気双極子相互作用（$1/r^3$）を有する長寿命で安定したボソン的準粒子を有する系であり、短距離相互作用を有するポラリトンとは明確に区別される。
• 実験で観測された井戦間の増幅トンネル電流は、コherenceの強力な証拠を示すが、superradianceに類似しているため、BECの決定的証明ではない。
• ランダウ準位の半分充満度において、電子密度の不均衡を導入すると、クーロンドラッグ共鳴が著しく消失する。これは強い相関およびペアリングの役割を示唆する。
• 理論的モデルは、絶対零度における基底状態がペアリング励起子のBCS的状態であると示唆しており、有限温度で凝縮が予想されるが、まだ明確に観測されていない。
• 高密度領域では不純物効果がスクリーニングされるため、光学分光法よりも流体力学的輸送効果が凝縮の検出により有望である。