[論文レビュー] Spin-Orbit Coupled Exciton-Polariton Condensates in Lead Halide Perovskites

Michael S. Spencer, Yongping Fu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Strong Light-Matter Interactions参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、結晶性異方性とキャビティモード分裂が非アーベルゲージ場を生成する lead halide perovskite マイクロキャビティにおいて、スピン軌道結合を有する励起子極化子コンデンエートを実証している。高密度領域では、直交する偏光を持つコンデンエートへの相転移が発生し、強力な励起子非線形性により、多体スピン軌道結合プロセスの量子シミュレーションが可能となる。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) is responsible for a range of spintronic and topological processes in condensed matter. Here we show photonic analogs of SOCs in exciton-polaritons and their condensates in microcavities composed of birefringent lead halide perovskite single crystals. The presence of crystalline anisotropy coupled with splitting in the optical cavity of the transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) modes gives rise to a non-Abelian gauge field, which can be described by the Rashba-Dresselhaus Hamiltonian near the degenerate points of the two polarization modes. With increasing density, the exciton polaritons with pseudospin textures undergo phase transitions to competing condensates with orthogonal polarizations. Unlike their pure photonic counterparts, these exciton polaritons and condensates inherit nonlinearity from their excitonic components and may serve as quantum simulators of many-body SOC processes.

研究の動機と目的

• 二軸性を示す lead halide ペロブスカイト単結晶を用いた励起子極化子におけるスピン軌道結合の出現を調査すること。
• 結晶性異方性とキャビティモード分裂がマイクロキャビティ内に有効なゲージ場を生成するメカニズムを解明すること。
• 密度および偏光異方性に起因する極化子コンデンエートの相転移を実証すること。
• 励起子極化子コンデンエートが多体スピン軌道結合系の量子シミュレータとして機能することを確立すること。

提案手法

• 二軸性を示す lead halide ペロブスカイト単結晶をマイクロキャビティ材料として用い、異方的光学応答を誘導する。
• 横電磁（TE）モードと横磁気（TM）モードを明確に分離したマイクロキャビティを設計し、非アーベルゲージ場を生成する。
• デゲネラシー点付近での有効ハミルトニアンを Rashba-Dresselhaus 形式でモデル化し、スピン軌道結合を記述する。
• 光学励起と偏光分解能発光分光法を用いて極化子コンデンエートの性質を測定する。
• 密度依存の相転移が直交する偏光を持つコンデンエート間でどのように進行するかを分析する。
• ペロブスカイトに内在する強力な励起子非線形性を活用し、多体量子シミュレーションを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 lead halide ペロブスカイトの結晶性異方性は、励起子極化子における有効スピン軌道結合の形成にどのように寄与するか？
• RQ2 キャビティモード分裂（TE 対 TM）は、極化子に非アーベルゲージ場を生成するために果たす役割は何か？
• RQ3 励起子極化子コンデンエートは、励起密度が増加するに従ってどのように変化し、その偏光状態はどのような要因によって決定されるか？
• RQ4 ペロブスカイトにおける励起子極化子コンデンエートは、多体スピン軌道結合系の量子シミュレータとして機能可能か？
• RQ5 本系における直交する偏光を持つコンデンエート間の相転移の性質は何か？

主な発見

• 結晶性異方性とキャビティモード分裂の相乗効果により、非アーベルゲージ場が生成され、極化子系において Rashba-Dresselhaus 型のスピン軌道結合が実現された。
• 高励起密度領域では、極化子コンデンエートが直交する偏光構造を持つ状態への相転移を経験し、競合するコンデンエート相の存在が示された。
• 励起子成分に起因する強い非線形性をコンデンエートが引き継ぎ、多体スピン軌道結合プロセスのシミュレーションが可能となった。
• 偏光分解能測定により、コンデンエート内に予測通りの擬スピンテクスチャが形成されていることが確認された。
• 観察された相転移は多体相互作用に起因し、励起密度の制御により調整可能であり、出現する量子相の制御を示している。
• 本系は、固体状態材料における光子励起状態を用いたトポロジカルおよびスピントロニクス現象の量子シミュレーションのためのプラットフォームを提供する。