[論文レビュー] Measurement of polariton-polariton interaction strength in the Thomas-Fermi regime of polariton condensation

Eliezer Estrecho, Tingge Gao+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 39被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、光誘起ボックストラップに高密度の極子を閉じ込めて、非協同的レザバから分離することで、励起子-極子凝縮のトマス・フェルミ領域における極子-極子相互作用の強さを測定した。この手法により、相互作用強度の不確実性が理論的予測の3倍以内にまで低減され、非平衡系における相互作用駆動型量子効果を研究するクリーンなプラットフォームが提供された。

ABSTRACT

Bosonic condensates of exciton polaritons (light-matter quasiparticles in a semiconductor) provide a solid-state platform for studies of non-equilibrium quantum systems with a spontaneous macroscopic coherence. These driven, dissipative condensates typically coexist and interact with an incoherent reservoir, which undermines measurements of key parameters of the condensate. Here, we overcome this limitation by creating a high-density exciton-polariton condensate in an optically-induced box trap. In this so-called Thomas-Fermi regime, the condensate is fully separated from the reservoir and its behaviour is dominated by interparticle interactions. We use this regime to directly measure the polariton-polariton interaction strength, and reduce the existing uncertainty in its value from four orders of magnitude to within three times the theoretical prediction. The Thomas-Fermi regime has previously been demonstrated only in ultracold atomic gases in thermal equilibrium. In a non-equilibrium exciton-polariton system, this regime offers a novel opportunity to study interaction-driven effects unmasked by an incoherent reservoir.

研究の動機と目的

• 駆動・散乱的凝縮体における極子-極子相互作用を測定する際のレザバ由来干渉の課題を克服すること。
• 凝縮体を非協同的レザバから分離することで、粒子間相互作用が支配的になる領域を達成すること。
• 著しく低減された実験的不確実性を伴って、極子-極子相互作用強度を直接測定すること。
• 非平衡的・固体状態の極子系においてトマス・フェルミ領域を実証すること。これは、これまで超低温原子系でのみ観測されていた。
• レザバ効果によって覆い隠されることがない、相互作用駆動型量子現象のクリーンな研究を可能にすること。

提案手法

• 光誘起ボックストラップに高密度の励起子-極子凝縮体を生成し、凝縮体を空間的に閉じ込め、レザバから分離する。
• 凝縮体の密度分布が主に粒子間相互作用と外部ポテンシャルによって支配されるトマス・フェルミ領域で動作する。
• 空間分解能を有する分光法を用いて凝縮体の密度分布を抽出し、密度分布の曲率から相互作用強度を推定する。
• 凝縮体波動関数をモデル化するためのトマス・フェルミ近似を適用し、測定された密度分布から相互作用パラメータを抽出する。
• 抽出された相互作用強度を理論的予測と比較し、不確実性の低減を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度で孤立した凝縮体における極子-極子相互作用強度の正確な値は何か？
• RQ2 レザバの寄与を排除することで、相互作用強度の実験的不確実性はどの程度低減できるか？
• RQ3 非平衡的・駆動散乱的極子系において、トマス・フェルミ領域を実験的に実現できるか？
• RQ4 レザバが完全に分離された状態で、粒子間相互作用が凝縮体の挙動をどのように支配するか？

主な発見

• 極子-極子相互作用強度の不確実性が、理論的予測の3倍以内にまで低減された。
• 非平衡的・固体状態の極子系において、トマス・フェルミ領域が成功裏に実現され、相互作用支配の物理現象がクリアに観測された。
• 凝縮体が非協同的レザバから完全に分離され、その影響が測定された相互作用強度に及ばなかった。
• 測定された相互作用強度は理論的予測と3倍以内の範囲で一致しており、過去の測定（不確実性が10⁴倍も大きい）に比べて著しく改善された。
• 本手法は、駆動散乱的系における相互作用駆動型量子効果を研究するための堅牢なプラットフォームを提供する。