[論文レビュー] Observation of solid state Rydberg exciton polariton and its condensate in a perovskite cavity

Wei Bao, Xiaoze Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 33被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、高品質なペロブスカイト基板ファブリ・ペロー共振器において、Rydberg励起子ポラリトン（REPs）の初めての観測を報告した。強い非線形性と顕著なブルーシフトを示すコherentなポラリトン凝縮が確認された。消光比が50を超える異方的REPsは、ペロブスカイトの正交晶系構造に起因し、固体量子系におけるコherentな多体Rydberg相互作用の役割を強調している。

ABSTRACT

The formation of half-light half-matter quasiparticle exciton polariton and its condensation in semiconductor optical cavities are striking phenomena for the macroscopic quantum coherence at elevated temperature. The matter constituent of exciton polariton dictates the interacting behaviors of these bosonic particles primarily via exciton-exciton interactions. However, these interactions are all limited to the ground state exciton, although they can be orders of magnitude stronger at Rydberg states with higher principal numbers. Here, for the first time, we observe the spontaneous formed Rydberg exciton polaritons (REPs) in a high quality Fabry-Perot cavity embedded with single crystal inorganic perovskite, CsPbBr3. Such REPs exhibit strong nonlinear behavior, enabling an anomalous dynamic process that leads to a coherent polariton condensate with prominent blue shift. Furthermore, we discover the first anisotropic REP with large extinction ratio over 50, arising from the perovskite's asymmetric orthorhombic crystal structure. Our observation not only sheds light on the importance of coherent many-body Rydberg interactions in polariton systems, but also paves the way for exploring these coherent interactions for solid state quantum optical information processing.

研究の動機と目的

• 強い多体相互作用を有する固体プラットフォームにおけるRydberg励起子ポラリトン（REPs）の形成を調査すること。
• 基底状態を超えた励起子ポラリトン系におけるコherentなRydberg相互作用の役割を調査すること。
• 高品質なペロブスカイトキャビティにおけるREPsの非線形ダイナミクスおよび凝縮行動の観測と特性評価すること。
• ペロブスカイトの構造的異方性を同定し、高消光比を持つポラリトンを生成するための活用を図ること。

提案手法

• 単結晶無機ペロブスカイト（CsPbBr3）を活性媒質とする高品質なファブリ・ペロー光学キャビティを用いる。
• 光学励起を用いて励起子ポラリトンを生成・プローブし、Rydberg状態に特徴的な高い主量子数を有する状態に注目する。
• 光励起スペクトルの測定により、強い相互作用および凝縮を示すブルーシフトを検出する。
• 偏光依存性発光の分析により、REP系における異方的挙動を同定する。
• CsPbBr3の固有の非対称な正交晶系構造を活用し、強い偏光異方性を誘導する。
• 非線形光学技術を用いて、REPsのコherent凝縮に至る動的過程を観測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Rydberg励起子ポラリトンは、固体半導体キャビティ系において自発的に形成可能か？
• RQ2 Rydberg励起子ポラリトンの非線形光学的シグネチャーは何か？ そして、それらはどのようにコherent凝縮を引き起こすか？
• RQ3 ペロブスカイトの結晶異方性は、観測されたポラリトンの偏光特性にどのように影響するか？
• RQ4 Rydberg状態の励起子-励起子相互作用は、基底状態励起子と比較して、ポラリトン系における多体効果をどの程度強化するか？
• RQ5 ペロブスカイトベースのキャビティにおいて、高消光比を持つ異方的ポラリトン凝縮体を設計可能か？

主な発見

• ペロブスカイトベースの光学キャビティにおいて、自発的に形成されたRydberg励起子ポラリトン（REPs）の初回の実験的観測が達成された。
• REPsは強い非線形性を示し、発光スペクトルに顕著なブルーシフトを伴うコherentなポラリトン凝縮を引き起こした。
• 消光比が50を超える異方的Rydberg励起子ポラリトンが観測され、これはCsPbBr3の非対称な正交晶系構造に起因するとされた。
• 観測されたREPsは、Rydberg状態の高い主量子数に起因する強化された多体相互作用を示した。
• REPsに内在する強い相互作用のおかげで、高温領域でもマクロな量子コherー二ティが維持された。
• 本研究の結果は、量子光学情報処理に向けた固体プラットフォームにおけるコherentなRydberg相互作用の利用に向けた道筋を確立した。