[論文レビュー] Observation of macroscopic coherence in self-organized dipolar excitons

Mathieu Alloing, D. Fuster+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2012

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、超低温温度下における広い単一量子井戸内に自己組織的に形成された双極子励起子における巨視的空間的コヒーレンスを実証した。間接励起子は環状パターンを形成し、そのパターンは低温下で微小な球状に崩壊する。干渉計測定により、環の外側ではコヒーレンスが約1.3 μmまで延長されており、その破片部では≤200 nmに局在化していることが判明した。これは、熱的ド・ブロイ波長をはるかに超える自発的長距離秩序を示している。

ABSTRACT

We report experiments showing that spatially indirect excitons confined in a wide single quantum well can exhibit macroscopic spatial coherence. Extended coherence is spontaneously established in the regime where indirect excitons form a distinctive ring shaped pattern fragmented into microscopic beads. These contain a large concentration of indirect excitons at sub-Kelvin temperatures, the excitons spatial coherence being the greatest in the vicinity of the fragments.

研究の動機と目的

• 広い単一量子井戸に閉じ込められた空間的間接励起子における巨視的量子コヒーレンスの出現を調査すること。
• 環状パターンの存在およびその微小な球状破片への崩壊と、コヒーレンスが発生するかどうかを特定すること。
• 低温バスターミナル温度下での干渉計技術を用いて、間接励起子の空間的コヒーレンス長を測定すること。
• 観測されたコヒーレンス長を熱的ド・ブロイ波長と比較し、多体効果の役割を評価すること。

提案手法

• 640 nmの500 nsパルスレーザーを用いて、Al0.3Ga0.7Asバリアを有する1 μm厚のGaAs量子井戸に電子・正孔対を光学的に注入する。
• −4.17 Vのゲート電圧を印加して、電子と正孔の空間的分離を誘導し、空間的間接励起子を生成する。
• 0.34 Kから7 Kのバスターミナル温度で、光励起発光を測定し、環の形成とその崩壊を観察する。
• 空間的分解能約1.5 μmのハナリー・ブラウン＝トゥイス干渉計を用いて、一次コヒーレンス関数|g(1)|を測定する。
• 測定された|g(1)|データを、ガウス型の機器応答関数と指数関数的減衰の畳み込みにフィットさせ、コヒーレンス長ξを抽出する。
• 有効励起子質量m ≈ 0.2m₀を用いて、観測されたコヒーレンス長を熱的ド・ブロイ波長ΛdB = h / √(2πmkBT)と理論的に比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ヘテロジャンクションを用いない広い単一量子井戸に閉じ込められた間接励起子において、巨視的空間的コヒーレンスが出現可能か？
• RQ2 間接励起子の環状パターンの微小な球状破片への崩壊が、長距離空間的コヒーレンスの発現と相関しているか？
• RQ3 球状破片付近におけるコヒーレンスの空間的広がりは、環の外縁部と比べてどのように異なるか？
• RQ4 超低温温度下における測定されたコヒーレンス長は、熱的ド・ブロイ波長と比べてどうなるか？
• RQ5 観測されたコヒーレンスは多体効果の結果であるのか、あるいは単に機器の分解能に起因するものか？

主な発見

• 340 mKで、環の外側の空間的コヒーレンス長はξ ≈ 1.3 μmに達し、約160 nmの熱的ド・ブロイ波長を著しく上回っている。
• 環の破片部では、コヒーレンス長が機器分解能に制限され、ξ ≤ 200 nmに留まっているため、強い局在化が示唆されている。
• 4 K未満でコヒーレンス長が急激に増加し、環の崩壊の開始と一致しており、コherent状態への相転移を示している。
• 干渉計の可視度|g(1)|は、Tb ≥ 4 Kで約12%から、Tb ≤ 4 Kで約22%に増加し、拡張したコヒーレンスの出現を示している。
• 観測されたコヒーレンス長（1.3 μm）は、340 mKにおける熱的ド・ブロイ波長（約160 nm）を著しく超えており、非相互作用粒子の挙動をはるかに超える巨視的コヒーレンスが確認された。
• 7 Kでは、コヒーレンス長が≤200 nmに制限されており、熱的ド・ブロイスケールと整合しており、高温域では長距離秩序が存在しないことが示された。