[論文レビュー] Dynamic optical hysteresis in the quantum regime

S. R. K. Rodríguez, W. Casteels+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2016

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ひとこと要約

本研究では、半導体マイクロカビティにおける動的光学ヒステリシスを実験的に示し、レーザーのショットノイズによって引き起こされる二重のべき乗則の減衰が、熱力学的極限に近づくにつれて単一のべき乗則に移行することを明らかにした。この移行は散逸的相転移を示しており、理論的予測とよく一致し、光子格子における臨界現象を研究する道筋を提供する。

ABSTRACT

We experimentally explore the dynamic optical hysteresis of a semiconductor microcavity as a function of the sweep time. The hysteresis area exhibits a double power law decay due to the shot noise of the driving laser, which triggers switching between metastable states. Upon increasing the average photon number and approaching the thermodynamic limit, the double power law evolves into a single power law. This algebraic behavior characterizes a dissipative phase transition. Our findings are in good agreement with theoretical predictions, and the present experimental approach is promising for the exploration of critical phenomena in photonic lattices.

研究の動機と目的

• レーザーのショットノイズが半導体マイクロカビティにおける動的光学ヒステリシスを誘発する役割を調査すること。
• スイープ時間と光子数の関数としてヒステリシス面積がどのように変化するかを検討すること。
• 系が熱力学的極限に近づくにつれて二重べき乗則から単一べき乗則への移行を探索すること。
• 駆動された光子系における散逸的相転移の兆候を同定すること。
• 理論的予測された散逸的量子系における臨界行動を、実験的光子プラットフォームを用いて検証すること。

提案手法

• 駆動レーザーのスイープレートを変化させた条件下での半導体マイクロカビティにおける光学ヒステリシスの実験的測定。
• 熱力学的極限への近づきを調べるため、平均光子数を体系的に変化させた。
• スイープ時間の関数としてのヒステリシスループ面積の分析により、べき乗則スケーリングの挙動を同定した。
• メタ安定状態間のスイッチングを内因性の確率的駆動要因としてレーザーのショットノイズを用いた。
• 観測されたべき乗則指数を、散逸的相転移の理論的予測と比較した。
• 臨界現象をオープン量子系に模倣する光子格子のような系を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザーのショットノイズは、半導体マイクロカビティにおける動的ヒステリシスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 低光子数および高光子数の条件下で、スイープ時間の関数としてヒステリシス面積にどのようなスケーリング挙動が現れるか？
• RQ3 二重べき乗則から単一べき乗則への移行は、散逸的相転移を示唆するか？
• RQ4 ヒステリシスダイナミクスの観点から、系の挙動が熱力学的極限にどのように近づくか？
• RQ5 実験的観察は、駆動された光子系における散逸的相転移の理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 平均光子数が低い状態では、レーザーのショットノイズがメタ安定状態間のスイッチングを駆動し、ヒステリシス面積に二重べき乗則の減衰が見られた。
• 平均光子数が増加し、系が熱力学的極限に近づくにつれて、二重べき乗則の減衰が単一べき乗則スケーリングに移行した。
• 単一べき乗則の挙動は、駆動された量子系における散逸的相転移の兆候として特定された。
• 実験的結果は、このような臨界現象に関する理論的予測と良好な定量的整合性を示した。
• 観測された代数的スケーリングダイナミクスは、光子格子における臨界性を研究する強固なプラットフォームを提供した。
• 実験的手法により、制御可能でチューナブルな光子環境で非平衡量子相転移の探索が可能になった。