[論文レビュー] Vortex and half-vortex stability in coherently driven spinor polariton fluid

Lorenzo Dominici, Jm M. Fellows+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2014

Strong Light-Matter Interactions被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、超高速ホログラフィーを用いて、コherently駆動されるスピンオールポラリトン流体における半ストリングルとフルストリングルの安定性およびダイナミクスを調査した。共鳴パルスを用いた光学的励起により、渦の螺旋運動、分裂、および渦-反渦対の増殖といった豊かな位相特異性のダイナミクスが観測され、非線形性と不純物が共同して位相特異性の進化を支配していることが明らかになった。半ストリングルは、非平衡量子流体において安定で基本的な励起状態として出現する。

ABSTRACT

Spinorial or multi-component Bose-Einstein condensates may sustain fractional quanta of circulation, vorticant topological excitations with half integer windings of phase and polarization. Matter-light quantum fluids, such as microcavity polaritons, represent a unique test bed for realising strongly interacting and out-of-equilibrium condensates. The direct access to the phase of their wavefunction enables us to pursue the quest of whether half vortices ---rather than full integer vortices--- are the fundamental topological excitations of a spinor polariton fluid. Here, we are able to directly generate by resonant pulsed excitations, a polariton fluid carrying either the half or full vortex states as initial condition, and to follow their coherent evolution using ultrafast holography. Surprisingly we observe a rich phenomenology that shows a stable evolution of a phase singularity in a single component as well as in the full vortex state, spiraling, splitting and branching of the initial cores under different regimes and the proliferation of many vortex anti-vortex pairs in self generated circular ripples. This allows us to devise the interplay of nonlinearity and sample disorder in shaping the fluid and driving the phase singularities dynamics

研究の動機と目的

• 半ストリングルがスピンオールポラリトン流体において安定で基本的な位相的励起状態であるかどうかを特定すること。
• 非線形性とサンプル内の不純物が位相特異性のダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• 駆動され非平衡状態にある量子流体において、半ストリングルおよびフルストリングル状態の coherent な時間発展を実験的に生成し追跡すること。
• 流体内で自己生成された円形リップル内での渦-反渦対の増殖がどのようにして生じるかを理解すること。

提案手法

• マイクロカビティポラリトン流体において、半ストリングルまたはフルストリングルの性質を持つ初期状態を共鳴パルス励起によって生成した。
• 超高速ホログラフィーを用いて、波動関数の位相と振幅の時間的・空間的変化をリアルタイムで解像度を保って観測した。
• 系はコherently駆動されており、非平衡状態で強く相互作用する量子流体状態を維持した。
• 位相特異性の時間的変化を追跡し、その安定性、分裂、運動を分析した。
• 励起条件およびサンプル条件を変化させることで、非線形性と不純物の相乗効果を解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherently駆動されるスピンオールポラリトン流体において、半ストリングルは安定か？
• RQ2 非線形性と不純物が位相特異性のダイナミクスにどのように共同で影響を及ぼすか？
• RQ3 この量子流体内での半ストリングルおよびフルストリングル状態の進化経路は、それぞれどのように異なるか？
• RQ4 自己生成された円形リップル内での渦-反渦対の増殖は、流体の不安定性と関連しているか？

主な発見

• 半ストリングルは、単一成分系およびフルストリングル状態の両方で安定した進化を示し、基本的位相的励起状態としての可能性を示唆した。
• 励起条件および不純物状態の異なる条件下で、位相特異性は螺旋運動、分裂、分岐を経験し、複雑なダイナミクス経路が明らかになった。
• 自己生成された円形リップル内では、渦-反渦対の増殖が観測され、流体の不安定性と位相的欠陥の形成との間に相関がある可能性が示された。
• 位相特異性のダイナミクスは、非線形性とサンプル内の不純物の相乗効果によって強く決定されており、単一の支配的メカニズムによって駆動されているわけではない。