[논문 리뷰] Asymmetric Rydberg blockade of giant excitons in Cuprous Oxide

Julian Heckötter, Valentin Walther외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 31인용 수 37

한 줄 요약

이 연구는 구리 산화물(Cu2O) 내 거대 엑시톤에서 이중 색상 펌프-프로브 자극 방법을 사용하여 비대칭 라이드버그 블로킹을 입증하였으며, 수 마이크로미터 거리까지 강한 장거리 상호작용을 달성하였다. 주요 결과는 마이크로미터 스케일 범위에 걸쳐 뚜렷한 블로킹 반경을 가지며, 보편적인 거듭제곱 법칙에 따라 상호 연관된 다체 상태를 관찰한 것으로, 이는 상호작용의 이종성과 공간적 상관관계를 나타내는 스펙트로스코픽 서명으로 확인되었다.

ABSTRACT

The ability to generate and control strong long-range interactions via highly excited electronic states has been the foundation for recent breakthroughs in a host of areas, from atomic and molecular physics [1, 2] to quantum optics [3, 4] and technology [5-7]. Rydberg excitons provide a promising solid-state realization of such highly excited states, for which record-breaking orbital sizes of up to a micrometer have indeed been observed in cuprous oxide semiconductors [8]. Here, we demonstrate the generation and control of strong exciton interactions in this material by optically producing two distinct quantum states of Rydberg excitons. This makes two-color pump-probe experiments possible that allow for a detailed probing of the interactions. Our experiments reveal the emergence of strong spatial correlations and an inter-state Rydberg blockade that extends over remarkably large distances of several micrometers. The generated many-body states of semiconductor excitons exhibit universal properties that only depend on the shape of the interaction potential and yield clear evidence for its vastly extended-range and power-law character.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 플랫폼에서 반도체 엑시톤의 장거리 강한 상관 다체 상태를 탐색하기 위해.
• 스펙트럼 이동이 공간적 상관관계보다 지배적인 고체 상태 시스템에서 강한 상호작용에 접근하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 다른 주 양자수를 가진 두 개의 서로 다른 라이드버그 엑시톤 상태 사이에서 비대칭 라이드버그 블로킹을 실현하고 특성화하기 위해.
• 엑시톤 간 상호작용 잠재력이 마이크로미터 스케일 거리에서 보편적이고 장거리 거듭제곱 법칙 특성을 가지며(V ∝ r⁻⁶) 이를 입증하기 위해.
• 한 엑시톤 종을 프로브로 사용하여 다른 종에 의해 유도된 공간적 상관관계와 블로킹 효과를 직접 관측하기 위해.

제안 방법

• 스펙트럼적으로 좁은 레이저를 사용하여 서로 다른 양자 상태(n′ = 16 펌프, n = 6–20 프로브)에 라이드버그 엑시톤을 생성하기 위해 이중 색상 광학 자극 방법을 적용하였다.
• 펌프 빔을 차단기로 조절하고 락인 검출을 사용하여 상호작용 유도 변화를 분리한 차등 프로브 투과도 ∆I를 측정하였다.
• 펌프 전력의 다양한 수준에서 프로브 흡수 스펙트럼을 측정하여 상호작용 효과가 엑시톤 밀도에 따라 어떻게 변화하는지 맵핑하였다.
• 평균장 이론 모델을 실험 데이터와 비교하여 강한 상관 효과를 포착하지 못함을 확인하였다.
• 자극 블로킹과 공간적 상관관계를 고려한 상관 기반 이론 모델을 사용하여 관측된 보편적 스펙트럼 형태를 설명하였다.
• 데이터에서 공간적 상관함수 g(2)(r)를 추출하여 수 마이크로미터 수준의 확장된 블로킹 반경을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 상태 재료 내 라이드버그 엑시톤 간 강한 장거리 상호작용을 이중 색상 펌프-프로브 스펙트로스코피로 탐측할 수 있는가?
• RQ2 Cu2O의 거대 엑시톤에서의 라이드버그 블로킹의 공간적 범위는 얼마나 되며, 일반적인 원자 스케일 범위를 초월하는가?
• RQ3 다른 라이드버그 상태에 있는 엑시톤 간 상호작용은 프로브 필드의 스펙트럼 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 상호작용 서명은 거듭제곱 법칙 잠재력이 예측한 바와 같이 미세 구조적 세부 사항과 무관한 보편적 스케일링 행동을 나타내는가?
• RQ5 서로 다른 라이드버그 상태 간 상호작용이 내부 상호작용 효과를 지배하는 비대칭 블로킹 영역을 실험적으로 실현하고 특성화할 수 있는가?

주요 결과

• Cu2O 엑시톤에서의 라이드버그 블로킹 반경은 수 마이크로미터에 이르며, 일반적인 원자 스케일 블로킹 범위를 훨씬 초월한다.
• 엑시톤 간 상호작용 잠재력은 관측된 스펙트럼 형태와 차등 투과 신호의 스케일링으로부터 V(r) ∝ r⁻⁶의 보편적 거듭제곱 법칙 의존성을 확인하였다.
• 측정된 차등 프로브 투과도 ∆I는 펌프 전력 증가에 따라 증가하며, 강한 이종 상호작용과 공간적 상관관계 존재를 시사한다.
• 평균장 이론은 관측된 스펙트럼 특징, 특히 고정된 디튜닝 ∆max와 ∆0에서의 보편적 최대값과 근을 재현하지 못하며, 이는 강한 다체 상관관계의 지배적 특성을 시사한다.
• 펌프 및 프로브 엑시톤 간 공간적 상관함수 g(2)(r)는 블로킹 반경 이하의 거리에서 뚜렷한 블로킹을 보이며, 장거리 양자 상관관계 존재를 확인한다.
• 서로 다른 라이드버그 상태 간 상호작용이 지배하는 뚜렷한 비대칭 블로킹이 관측되며, 이는 한 종을 다른 종에 대한 민감한 프로브로 사용할 수 있음을 가능하게 한다.