[論文レビュー] Giant increase of temporal coherence in optically trapped polariton condensate

Alexis Askitopoulos, Lucy Pickup+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2019

Strong Light-Matter Interactions参考文献 46被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、励起子レザバーリンクから凝縮状態を空間的に分離させることで、光学的トラップによる極子凝縮体の時間的コヒーレンスが著しく向上し、1ナノ秒を超えるコヒーレンス時間を達成した。これは個々の粒子の寿命よりも約3桁長い。レザバーレイドによるデコherenceを排除し、密度を能動的に安定化させることで、閾値を超えた領域でも超ポisson的粒子数フラクチュエーションが持続することを明らかにした。また、理論的予測と整合する極子間相互作用強度を測定した。

ABSTRACT

Coherent bosonic ensembles offer the promise of harnessing quantum effects in photonic and quantum circuits. In the dynamic equilibrium regime, the application of polariton condensates is hindered by exciton-polariton scattering induced de-coherence in the presence of a dark exciton reservoir. By spatially separating the condensate from the reservoir, we drive the system into the weak interaction regime, where the ensemble coherence time exceeds the individual particle lifetime by nearly three orders of magnitude. The observed nanosecond coherence provides an upper limit for polariton self-interactions. In contrast to conventional photon lasers, we observe an increased contribution from the super-Poissonian component of the condensate to the overall particle number fluctuations. Coupled with the recent emergence of a quantum regime in polaritonics, coherence times extended to several nanoseconds favour the realization of quantum information protocols.

研究の動機と目的

• 強い励起子-極子散乱によって引き起こされる動的平衡状態における極子凝縮体のデコherenceを克服すること。
• 凝縮状態と励起子レザバーリンクの空間的分離が、コヒーレンス時間および粒子数フラクチュエーションに与える影響を調査すること。
• 密度とコヒーレンス状態を制御した条件下で、有効な極子-極子および励起子-励起子相互作用強度を測定すること。
• 弱い相互作用領域において、コヒーレンス時間を測定することで、極子自己相互作用の上限を特定すること。
• 持続的である超ポisson的ノイズが、極子系における量子コヒーレンスおよび制御に与える影響を検討すること。

提案手法

• 6Kで動作するGaAsベースのマイクロカビティに、InGaAs量子井戸を用いて極子を捕らえた。
• 100 kHz程度の帯域幅を持つ連続波レーザーを用いて非共鳴励起を実施した。
• 空間光変調器を用いて励起をトップハットまたは環状のプロファイルに整形し、光学的トラップのための放物型ポテンシャルを生成した。
• 15 cmの二重パス遅延ステージを備えたミケルソン干渉計を用いて、一次コヒーレンス関数 $g^{(1)}(x,\tau_i)$ を測定した。
• スキャンレスの可変遅延干渉測定を実施し、5 μsの統合時間にわたるコヒーレンス時間を抽出した。
• 能動的密度安定化を導入し、凝縮状態の人口を制御するとともに、レザバーリンクからの影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 励起子レザバーリンクによるデコherenceを最小限に抑えた場合、極子凝縮体の最大時間的コヒーレンス時間はどの程度達成可能か？
• RQ2 特に超ポisson的成分として現れる粒子数フラクチュエーションは、閾値を超えた極子凝縮体におけるコヒーレンスにどのように影響するか？
• RQ3 励起子レザバーリンクの結合が抑制された条件下で、有効な極子-極子および励起子-励起子相互作用強度は何か？
• RQ4 励起子レザバーリンクとの相互作用が排除された状態で、凝縮状態の密度およびサイズに応じてコヒーレンス時間はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 観測されたコヒーレンス時間が、弱い相互作用領域において、Schawlow-Townes限界および粒子寿命をどの程度上回るか？

主な発見

• 光学的トラップによる極子凝縮体の時間的コヒーレンス時間が1ナノ秒を超えており、これは個々の粒子寿命よりも約3桁長い。
• 励起子レザバーリンクと重なっている凝縮体と比較して、コヒーレンス時間がほぼ100倍に向上した。これは、励起子レザバーリンクによるデコherenceが支配的であることを確認した。
• 閾値を超えた領域で粒子数フラクチュエーションが減少したにもかかわらず、持続的な超ポisson的ノイズ成分がデコherenceに寄与しており、これは従来のレーザー行動とは矛盾する。
• 測定された極子-極子相互作用強度 $U_{pp}$ は理論的推定値および過去の実験報告と整合しており、測定手法の妥当性を裏付けた。
• $U_{pp}$ は密度の増加に伴い減少しており、これはオシレーター強度の飽和およびMott遷移効果と整合する。
• 本系は、Bloch振動の観測が可能であり、動的平衡状態における安定なコherent制御を実現するのに適したコヒーレンス時間領域に達した。