[論文レビュー] Excitation of exciton-polariton vortices in pillar microcavities by a Gaussian beam

A. S. Abdalla, Bingsuo Zou+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ガウスビームが内在的な軌道的角運動量を有さないにもかかわらず、境界由来の位相特異性と非線形相互作用のおかげで、有限なピラーマイクロカビティ内に多様な励起子極化子渦状および反渦状状態を励起できることを示している。カップルド・グロス-Pitaevskii方程式を用いて、弱いガウスビームが渦-反渦対、高角運動量渦、重ね合わせ状態を生成することを示し、励起効率がマイクロカビティの半径、ビームの幾何学的配置、非線形性に強く依存することを明らかにした。

ABSTRACT

With coupled Gross-Piteavskii equations we study excitation of exciton-polariton vortices and antivortices in a pillar microcavity by a Gaussian pump beam. The structure of vortices and antivortices shows a strong dependence on the microcavity radius, pump geometry, and nonlinear exciton-exciton interaction. Due to the nonlinear interaction the strong Gaussian beam cannot excite more polariton vortices or antivortices with respect to the weak one. The calculation demonstrates that the weak Gaussian beam can excite vortex-antivortex pairs, vortices with high angular momentum, and superposition states of vortex and antivortex with high opposite angular momentum. The pump geometry for the Gaussian beam to excite these vortex structures are analyzed in detail, which holds a potential application for Sagnac interferometry and generating the optical beams with high angular momentum.

研究の動機と目的

• 軌道的角運動量を有さないガウス励起ビームを用いて、ピラーマイクロカビティ内における励起子極化子渦状および反渦状状態の励起を調査すること。
• マイクロカビティの幾何学的形状、励起ビームの配置、非線形励起子-励起子相互作用が、渦状構造の形成に与える影響を分析すること。
• 弱い励起と強い励起の領域で、特に渦-反渦対や高角運動量状態を励起できるかどうかを特定すること。
• トポロジカル渦状態を生成するためのラゲール・ガウスビームの実用的代替として、ガウスビームの可能性を検討すること。
• 量子情報およびセンシング用途に向けた複雑な渦状状態を生成するための実験設計の理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 有限ポテンシャル井戸を有する平面マイクロカビティ内の励起子および光子場のダイナミクスをモデル化するため、カップルド・グロス-Pitaevskii方程式系を構築した。
• ガウス励起ビームを、キャビティ軸に対して位置および波数ベクトルの方向が可変な空間的局在的源項としてモデル化した。
• ステディステート領域において、ベッセル関数および方位角モードを用いた基底関数展開により、連立方程式を解いた。
• 弱いおよび強い励起領域の両方において、平均場方程式を数値的に解き、非線形項は強い励起領域でのみ含めた。
• 得られた極化子波動関数を解析し、位相巻き付きおよび密度の極小を用いて渦状および反渦状を同定した。
• 渦状構造の形成がマイクロカビティの半径、ビーム位置、ビームの方向（x軸に沿ってまたは垂直に）、非線形相互作用強度にどのように依存するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道的角運動量を有さないガウスビームが、有限なピラーマイクロカビティ内に励起子極化子渦状を励起できるか？
• RQ2 ガウスビームの幾何学的形状（位置および波数ベクトルの方向）が、渦-反渦対および高角運動量状態の形成にどのように影響するか？
• RQ3 強い励起条件下で、励起子-励起子非線形相互作用が、励起される渦状の数や種別に果たす役割は何か？
• RQ4 強いガウスビームは、高い励起パワーにもかかわらず、弱いビームよりも多くの渦状を励起できないのはなぜか？
• RQ5 反対の高角運動量を持つ渦状および反渦状の重ね合わせ状態が生成される条件は何か？

主な発見

• ガウスビームは、内在的な角運動量がなくても、有限なピラーマイクロカビティ内で渦-反渦対、高角運動量渦、渦-反渦重ね合わせ状態を励起できることを示した。
• これらの渦状態の励起は、マイクロカビティの半径およびビームのキャビティ軸に対する空間的・方向的配置に強く依存する。
• 弱い励起領域では非線形相互作用が無視可能であり、ビームの幾何学的形状とキャビティ境界効果の相互作用によって、渦状構造が安定した状態で出現する。
• 強い励起領域では非線形相互作用が追加の渦状の形成を抑制し、高い励起パワーにもかかわらず、数個の渦状しか励起されない。
• 主に極化子のキャビティ境界からの反射が位相特異性を誘発し、これにより位相の量子化された巻き付きが生じる。
• 理論的解析により、弱い励起領域においては安定な渦状状態が存在することが確認され、ビームの位置と方向が得られる渦状の位相的荷重および対称性を決定することが分かった。