[論文レビュー] Observation of driven superfluidity of polaritons in a semiconductor microcavity

A. Amo, D. Sanvitto+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2007

Strong Light-Matter Interactions被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、半導体マイクロカビティ内における非平衡で散逸的なポラリトン凝縮系において駆動された超流動性を実証した。研究者たちは、光速のおおよそ1%の速度で移動するマクロなデジェネレートポラリトン波パッケットを生成し、拡散なしの運動、障害物を越えて抵抗なしの流れ、レイリー散乱の抑制、および波パッケットと同等のサイズの障害物に衝突した際の波パッケットの分裂を観測した。これは、強い駆動・非平衡状態下でも超流動的挙動が現れることを示す証拠である。

ABSTRACT

Semiconductor microcavities offer a unique system to investigate the physics of weakly interacting bosons. Their elementary excitations, polaritons--a mixture of excitons and photons--behave, in the low density limit, as bosons that can undergo a phase transition to a regime characterised by long range coherence. Condensates of polaritons have been advocated as candidates for superfluidity; and the formation of vortices as well as elementary excitations with a linear dispersion are actively sought after. In this work, we have created and set in motion a macroscopically degenerate state of polaritons and let it collide with a variety of defects present in the sample. Our experiments show striking manifestations of a coherent light-matter packet that displays features of a superfluid, although one of a highly unusual character as it involves an out-of-equilibrium dissipative system where it travels at ultra-fast velocity of the order of 1% the speed of light. Our main results are the observation of i) a linear polariton dispersion accompanied with diffusion-less motion, ii) flow without resistance when crossing an obstacle, iii) suppression of Rayleigh scattering and iv) splitting into two fluids when the size of the obstacle is comparable with the size of the wavepacket. This work opens the way to the investigation of new phenomenology of out-of-equilibrium condensates.

研究の動機と目的

• 半導体マイクロカビティ内における強い結合した光・物質準粒子（ポラリトン）の非平衡で散逸的な系における超流動性の調査。
• 非平衡状態下における駆動されたポラリトン凝縮体において、マクロな位相相関と超流動的輸送がどのように出現するかの探求。
• 欠陥や構造的不均一性が、強い駆動状態下におけるコherentlyなポラリトン波パッケットの力学的挙動に与える影響の検討。
• 熱的平衡から大きく離れた系において、超流動性の兆候（抵抗なしの流れ、散乱の抑制）を同定すること。

提案手法

• ガリウムヒ素（GaAs）を基にした半導体マイクロカビティ内に、光学的励起によってマクロなデジェネレートポラリトン凝縮体を生成した。
• 空間的に局在化したコヒーレントなポラリトン波パッケットを設計し、超高速度（光速のおおよそ1%）で移動させた。
• 移動するポラリトン波パッケットをマイクロカビティ内のさまざまな欠陥や構造的不均一性に衝突させた。
• 時間分解像と分光測定を用いて波パッケットの力学的挙動を測定し、超流動性の兆候を検出した。
• ポラリトンの分散関係を解析して、線形分散とコherency特性を確認した。
• 障害物のサイズや系のパラメータを関数として、レイリー散乱と波パッケットの分裂をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い散逸があるにもかかわらず、駆動された非平衡ポラリトン凝縮体において、超流動的挙動が出現するか？
• RQ2 ポラリトン波パッケットが障害物に衝突した際に抵抗なしの流れを示すか。これは超流動性の兆候である。
• RQ3 コherentで移動するポラリトン波パッケットが存在する際、レイリー散乱はどの程度抑制されるか？
• RQ4 障害物のサイズが波パッケットのサイズと比較してどう影響するか？ これにより、系の力学的挙動とコherencyがどのように変化するか。
• RQ5 障害物のサイズが波パッケットのサイズと一致する場合、系が二流体状態に遷移するか？

主な発見

• ポラリトン波パッケットは拡散なしの運動を示し、長距離にわたる位相相関と超流動的性質を示している。
• 波パッケットが障害物を越える際に抵抗なしの流れが観測され、超流動性の特徴的兆候である。
• 波パッケットの伝搬中にレイリー散乱が強く抑制されており、波パッケットのコherencyと頑健性が確認された。
• 障害物のサイズが波パッケットと同等の大きさである場合、系は二つの明確な流体的成分に分裂した。
• 線形ポラリトン分散関係が観測され、コherentでマクロにデジェネレートした状態の存在を支持する。
• 非常に非平衡的かつ散逸的な状態にあっても、系は超流動的挙動を示した。これは、非平衡量子現象分野における新たな道筋を示唆する。