[論文レビュー] Interaction induced point scatterer lattices and flat band condensation of exciton-polaritons

Sergey Alyatkin, Helgi Sigurðsson+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2020

Strong Light-Matter Interactions被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、点散乱子とガウスビーム励起を用いて、全光的手段により二次元の励起子極子格子を生成し、S帯および分散なしP帯状態における完全に光的に生成された凝縮を達成した。エネルギートモグラフィーにより、Lieb格子構成の複雑なバンド構造が明らかになり、チューナブルで共鳴しない光学的ポテンシャルにおけるフラットバンド凝縮の観測が可能になった。

ABSTRACT

One of the recently established paradigms in the study of condensed matter physics is examining a system's behaviour in artificially constructed potentials. This allows one to obtain insight on a range of physical phenomena which may require non-feasible or hardly achievable experimental conditions. Here, we devise and implement an all-optical approach to a system of exciton-polaritons in semiconductor microcavities to load the particles into desired periodic potentials. We demonstrate a two-dimensional system of polariton condensates in two regimes - lattices of point scatterers, and confined states through non-resonant pumping with Gaussian beams arranged in a conventional, and an inverse Lieb configuration. We utilize energy tomography on the coherent polariton emission to reveal the intricate band structure of polaritonic Lieb lattices, and report on fully optically generated polariton condensation in S-, and dispersionless P-band states.

研究の動機と目的

• 全光的手段を用いて人工的に設計された周期的ポテンシャル内での励起子極子の挙動を調査すること。
• ガウスビームを用いた非共鳴励起により、点散乱子格子と局在状態の二次元格子を実現すること。
• 設計された極子格子内でのS帯および分散なしP帯凝縮の形成と性質を調査すること。
• エネルギートモグラフィーを用いて、極子的Lieb格子の複雑なバンド構造をマッピングすること。

提案手法

• 半導体マイクロカビティ内の設計された周期的ポテンシャルに励起子極子を全光的アプローチで励起する。
• 空間的に形状化されたガウスビームを用いた非共鳴励起により、従来型および逆Lieb格子構成を生成する。
• 局所的な光学的ポテンシャルを用いて点散乱子格子をエンジニアリングし、極子を二次元に閉じ込める。
• 凝集的極子放射のエネルギートモグラフィーを適用し、格子系のバンド構造を再構築する。
• 格子幾何学を制御して、標準的および逆Lieb配置を実現し、比較的分析を行う。
• 発光スペクトルを測定し、S帯および分散なしP帯状態における凝縮を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全光的手段を用いて、半導体マイクロカビティ内でのチューナブルで二次元的な励起子極子格子を生成できるか？
• RQ2 光学的エンジニアリングにより形成された極子的Lieb格子のバンド構造的特徴は何か？
• RQ3 これらの格子内では、S帯および分散なしP帯状態において完全に光的に生成された凝縮が発生するか？
• RQ4 逆Lieb格子配置は、極子の凝縮およびバンド分散にどのように影響を与えるか？
• RQ5 エネルギートモグラフィーは、設計された極子格子の複雑なバンド構造をどの程度解像できるか？

主な発見

• 本研究では、設計された格子内において、S帯および分散なしP帯状態における励起子極子の完全な光的生成凝縮を達成した。
• エネルギートモグラフィーにより、極子的Lieb格子の複雑なバンド構造、特にフラットP帯分散が成功裏に明らかになった。
• P帯における凝縮が分散なしであることが確認され、強い局在化および群速度の抑制を示している。
• 逆Lieb格子配置は、従来型配置とは異なった特徴的な閉じ込め方とバンド構造的性質を示した。
• 形状化されたガウスビームを用いた非共鳴励起により、設計された格子ポテンシャル内での極子凝縮の安定的かつ制御可能な生成が可能になった。
• 実験的実現により、全光的技術を用いて極子系における特異な量子相をエンジニアリングおよびプローブ可能であることが示された。