[論文レビュー] Polarization of a Bose-Einstein Condensate of Photons in a Dye-Filled Microcavity

S. Greveling, Fons van der Laan+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Strong Light-Matter Interactions参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、染料で満たされたマイクロキャビティ内における光子ボーズ＝アインシュタイン凝縮（phBEC）における偏光対称性の破れを、1ショットのストークスパラメータイメージングを用いて実験的に調査した。その結果、phBECの偏光は、ポンプパルスの偏光に完全に依存しており、自発的ではなく誘導された対称性の破れであることが示された。一方、熱的クラウドの偏光は、隠れた異方性によって固定されており、さまざまな実験的パラメータに関係なく変化しなかった。

ABSTRACT

We measure the polarization of a photon gas in a dye-filled microcavity. The polarization is obtained by a single-shot measurement of the Stokes parameters. We find that the polarization of both the thermal cloud and the Bose-Einstein condensate of photons (phBEC) does not differ from shot to shot. In the case of the phBEC, we find that the polarization correlates with the polarization of the pump pulse. The polarization of the thermal cloud is independent of parameters varied in the experiment and is governed by a hidden anisotropy in the system.

研究の動機と目的

• 光子ボーズ＝アインシュタイン凝縮（phBEC）における偏光対称性の破れが、自発的であるか、誘導的であるかを調査すること。
• phBECおよび熱的光子クラウドの偏光が、染料濃度、溶媒、ポンプ偏光といった実験的パラメータに依存するかどうかを特定すること。
• 特に角度拡散と偏光結合を含む、染料で満たされたマイクロキャビティ内の偏光ダイナミクスに関する理論的予測を実験的に検証すること。
• 1ショットのストークスパラメータイメージングを用いて、phBECおよび熱的クラウドの偏光度を測定・比較すること。

提案手法

• 16ビットのsCMOSカメラを用いたカスタム偏光計測装置により、全強度および3つの直交する偏光状態（0°、45°、右回り円偏光：RHC）に対応する4枚の強度画像を取得する。
• 測定された強度から、標準的な定義に従いストークスパラメータS₀、S₁、S₂、S₃を計算する：S₀ = I_tot、S₁ = I₀° - I₉₀°、S₂ = I₄₅° - I₋₄₅°、S₃ = I_LHC - I_RHC。
• 全偏光度はp = √(S₁² + S₂² + S₃²) / S₀として計算され、偏光純度の定量的指標が得られる。
• 装置の偏光効果を補正するため、カメラのベクトルモデルを用いてシステムをキャリブレーションし、正確なストークスベクトル再構成を確保する。
• 信号対雑音比を向上させ、偏光プロファイルを抽出するために、50個の同一なphBECに対してストークスパラメータの半径平均を実行する。
• 染料濃度、溶媒（エチレングリコール対メタノール）、ポンプ偏光（水平対垂直）を変化させた実験を実施し、パラメータ依存性を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子ボーズ＝アインシュタイン凝縮（phBEC）の偏光は、ポンプパルスの偏光に依存するか。これは、誘導的対称性の破れを示唆する。
• RQ2 熱的光子クラウドの偏光は、染料濃度、溶媒、またはポンプ偏光の変化に敏感か、それとも隠れた異方性によって支配されているか。
• RQ3 凝縮分率が増加するに従い、光ガスの中心部（主にphBECに支配される）における偏光度はどのように変化するか。
• RQ4 複数の実験ショットにわたって、phBECの偏光がポンプ偏光とどの程度相関しているか。
• RQ5 熱的クラウドに持続的な線形偏光が存在する原因は何か。また、なぜそれが変更された実験パラメータに依存しないのか。

主な発見

• phBECの偏光度は、ポンプパルスの偏光に完全に依存しており、垂直偏光ポンプを用いた場合に測定された偏光度0.63 ± 0.21は、誘導的対称性の破れを示している。
• すべての測定条件において、熱的クラウドの偏光度はp ≈ 0.16 ± 0.12で一定であり、染料濃度や溶媒の変更に関係なく一定であった。これは、システム内の隠れた異方性によって固定されていることを示している。
• ポンプ偏光を水平から垂直に切り替えると、phBECの偏光方向は水平から垂直に反転し、ポンプによる直接制御が確認された。
• 染料濃度や溶媒（エチレングリコールからメタノールに）を変更しても、phBECおよび熱的クラウドの偏光に顕著な影響は認められなかった。
• ストークスパラメータの半径平均から、熱的クラウドの偏光においてS₂が支配的（-45°方向に整列）であり、ポンプが垂直の場合にはphBECの偏光においてS₁が支配的であることが確認され、ポンプ偏光との偏光相関が裏付けられた。
• 光ガスの中心部における偏光度は、凝縮分率が増加するに従い増加しており、これはphBECが完全に偏光しており、全信号に寄与する割合が増加していることに一致する。