[논문 리뷰] Cavity Optomechanics with Polariton Bose-Einstein Condensates

D. L. Chafatinos, А. С. Кузнецов외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 27.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 박막 마이크로캐비티에서 20 GHz 기계적 진동과 염기-보스 액체 응축체(BEC)의 엑시톤-폴라리톤을 결합함으로써 코herent 캐비티 폴라리톤 옵티오메카닉스의 첫 실험적 실현을 보여준다. 비공명 레이저 조사 방식을 사용하여, 시스템은 옵티오메카닉스에 의해 유도된 증폭과 기계적 자진진동을 나타내며, 기본 모드의 고조파에서 적색 데튜닝된 인접한 트랩이 존재할 경우 기계적 사이드밴드의 강화된 방출을 보인다.

ABSTRACT

We report the experimental study of a hybrid quantum solid state system comprising two-level artificial atoms coupled to cavity confined optical and vibrational modes. In this system combining cavity quantum electrodynamics and cavity optomechanics, excitons in quantum wells play the role of the two-level atoms and are strongly coupled to the optical field leading to mixed polariton states. The planar optical microcavities are laterally microstructured, so that polaritons can be confined in wires, 3D traps, and arrays of traps, providing an additional tuning degree of freedom for the polariton energies. Upon increasing the non-resonant laser excitation power, a Bose-Einstein condensation of the polaritons is observed. Optomechanical induced amplification type of experiments with an additional weak laser probe clearly identify the coupling of these Bose-Einstein condensates to 20~GHz breathing-like vibrations confined in the same cavities. With single continuous wave non-resonant laser excitation, and once the laser power overpasses the threshold for Bose-Einstein condensation in trap arrays, mechanical self-oscillation similar to phonon ``lasing'' is induced with the concomitant observation of Mollow-triplet type mechanical sidebands on the Bose-Einstein condensate emission. High-resolution spectroscopic photoluminescence experiments evidence that these vibrational side-band resolved lines are enhanced when neighboring traps are red-detuned with respect to the BEC emission at overtones of the fundamental 20 GHz breathing mode frequency. These results constitute the first demonstration of coherent cavity polariton optomechanics and pave the way towards a novel type of hybrid devices for quantum technologies, phonon lasers, and phonon-photon bidirectional translators.

연구 동기 및 목표

• 폴라리톤 BEC를 이용해 캐비티 양자전기역학과 캐비티 옵티오메카닉스를 융합한 하이브리드 양자 시스템을 탐색한다.
• 마이크로캐비티 트랩에 갇힌 폴라리톤 BEC를 통해 고체계 플랫폼에서 강한 옵티오메카닉스 결합을 연구한다.
• 옵티오메카닉스 시스템에서 마울러 트리플렛과 유사한 기계적 사이드밴드와 유사한 공명 상태를 갖는 기계적 자진진동과 공명 방출을 실현한다.
• 기본 진동 모드의 고조파에서 인접한 트랩 모드를 데튜닝함으로써 강화된 옵티오메카닉스 결합 조건을 규명한다.

제안 방법

• 양자우물이 포함된 평판형 반도체 마이크로캐비티를 이용해 엑시톤-폴라리톤을 형성하고, 이들이 캐비티 광자와 강하게 결합되도록 한다.
• 측면 마이크로구조를 설계하여 1차원 와이어, 3차원 트랩, 트랩의 배열을 형성함으로써 공간적 구속과 조절 가능한 폴라리톤 에너지를 확보한다.
• 지속적 비공명 레이저 조사 방식을 통해 BEC 임계값 이상의 조사를 제공함으로써 매크로스코픽 양자 응축을 유도한다.
• 약한 프로브 레이저를 사용한 고해상도 광발광 스펙트로스코피를 수행하여 옵티오메카닉스에 의해 유도된 증폭과 사이드밴드를 검출한다.
• 폴라리톤-BEC 모드, 기계적 진동, 그리고 $\hat{H}_{\text{int}} = -\hbar G \hat{p}_{2}^\dagger \hat{p}_{1} \hat{b}_{m}^\dagger + \text{h.c.}$를 통한 옵티오메카닉스 결합을 포함하는 해밀토니안을 모델링하며, $G$는 폴라리톤 혼합 각도에 따라 달라진다.
• 비소진된 펌프 근사 조건 하에서 시스템을 분석하고, 자진진동 임계값을 예측하기 위해 효과적 옵티오메카닉스 협동도 $C = 4N_1|G|^2/(κ_2\Gamma_m)$를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엑시톤-폴라리톤 BEC가 마이크로캐비티 옵티오메카닉스 시스템에서 공명 기계적 자진진동을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 트랩 간 결합과 데튜닝은 폴라리톤 BEC에서 기계적 사이드밴드 방출을 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 BEC 방출에서 기계적 사이드밴드가 강한 옵티오메카닉스 결합으로 인해 마울러 트리플렛 유사한 구조를 보이는가?
• RQ4 폴라리톤 기반 옵티오메카닉스 시스템에서 협동도는 폴라리톤 수와 결합 강도에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 특정 데튜닝 조건에서 이차형 진동자에 대한 상호작용(예: 진동자에 대해 제곱형)이 우세해질 수 있는가?

주요 결과

• 임계 조사 강도를 초과할 경우 폴라리톤 BEC에서 기계적 자진진동이 관측되어 공명 기계 모드 증폭이 일어남을 나타낸다.
• 광발광 스펙트럼에서 마울러 트리플렛 유사 기계적 사이드밴드가 해상도가 높게 확보되어 강한 옵티오메카닉스 결합과 공명 역학을 확인한다.
• 인접한 트랩이 기본 20 GHz 진동 모드 주파수의 정수 배수로 적색 데튜닝될 경우 사이드밴드 방출이 강화됨을 확인하였다.
• BEC의 큰 공명 상태 밀도로 인해 옵티오메카닉스 협동도 $C$가 향상되어 짧은 광자 수명에도 불구하고 강한 결합이 가능함을 입증하였다.
• 이론적 모델링은 자진진동 임계값이 $C = 4N_1|G|^2/(κ_2\Gamma_m)$에 의해 결정되며, $N_1$이 펌프 강도에 비례함을 확인하였다.
• 특정 데튜닝 조건(예: $\Omega_1 - \Omega_2 = 2\omega_m$)에서 $G_2 \hat{p}_2^\dagger \hat{p}_1 (\hat{b}_m^\dagger)^2$와 같은 고차원 옵티오메카닉스 항이 유의미할 수 있음을 규명하였다.