[논문 리뷰] Giant increase of temporal coherence in optically trapped polariton condensate

Alexis Askitopoulos, Lucy Pickup외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 20.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 46인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 극성자 냉각 상태를 공간적으로 비편리한 상태에서 분리함으로써 광학적으로 트랩된 극성자 응축체의 시간적 위상 일관성을 극적으로 향상시켰으며, 개별 입자 수명보다 약 3개 정도 더 긴 1 나노초를 초과하는 일관성 시간을 달성하였다. 저자들은 자장에 의한 분해를 제거하고 밀도를 능동적으로 안정화함으로써 임계값 이상에서도 초포isson 분포의 입자 수 변동이 지속됨을 밝혀내었으며, 이론적 예측과 일치하는 극성자 상호작용 강도를 측정하였다.

ABSTRACT

Coherent bosonic ensembles offer the promise of harnessing quantum effects in photonic and quantum circuits. In the dynamic equilibrium regime, the application of polariton condensates is hindered by exciton-polariton scattering induced de-coherence in the presence of a dark exciton reservoir. By spatially separating the condensate from the reservoir, we drive the system into the weak interaction regime, where the ensemble coherence time exceeds the individual particle lifetime by nearly three orders of magnitude. The observed nanosecond coherence provides an upper limit for polariton self-interactions. In contrast to conventional photon lasers, we observe an increased contribution from the super-Poissonian component of the condensate to the overall particle number fluctuations. Coupled with the recent emergence of a quantum regime in polaritonics, coherence times extended to several nanoseconds favour the realization of quantum information protocols.

연구 동기 및 목표

• 강한 엑시톤-극성자 산란으로 인한 동적 평형 상태의 극성자 응축체에서의 분해를 극복하기 위해.
• 응축체를 엑시톤 저장소에서 공간적으로 분리함으로써 시간 일관성과 입자 수 변동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 조절된 밀도와 일관성 조건 하에서 효과적 극성자-극성자 및 엑시톤-엑시톤 상호작용 강도를 측정하기 위해.
• 약한 상호작용 영역에서 일관성 시간을 측정함으로써 극성자 자가상호작용의 상한을 결정하기 위해.
• 지속적인 초포isson 노이즈가 극성자 시스템의 양자 일관성과 제어에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 6K에서 InGaAs 양자우물이 포함된 GaAs 기반 마이크로카비티를 사용하여 극성자를 구속하였다.
• 비공명 자극을 위해 약 100 kHz 대역폭을 가진 단일 모드, 능동적으로 안정화된 연속파 레이저를 사용하였다.
• 공간적 빛 조절 장치를 사용하여 자극을 토포하트 또는 고리형 프로파일로 형상화함으로써 광학 트랩을 위한 파라볼릭 잠재력을 생성하였다.
• 1차 일관성 함수 $g^{(1)}(x,\tau_i)$ 를 측정하기 위해 15 cm 이중 통과 지연 스테이지가 장착된 마이켈슨 간섭계를 사용하였다.
• 스캔 없는 가변 지연 간섭 측정을 수행하여 통합 시간 5 μs 동안 일관성 시간을 추출하였다.
• 응축체 인구를 제어하고 저장소 효과로부터 분리하기 위해 밀도를 능동적으로 안정화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자장에 의한 분해가 최소화된 조건에서 극성자 응축체의 최대 달성 가능한 시간적 일관성 시간은 얼마인가?
• RQ2 특히 임계값 이상에서 입자 수 변동, 특히 초포isson 성분이 극성자 응축체의 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자장 결합이 억제된 조건에서 효과적 극성자-극성자 및 엑시톤-엑시톤 상호작용 강도는 무엇인가?
• RQ4 자장과의 상호작용이 제거된 조건에서 응축체 밀도와 크기 변화에 따라 일관성 시간은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 일관성 시간이 약한 상호작용 영역에서 샤울로-타운즈 한계와 입자 수명을 얼마나 초월하는가?

주요 결과

• 광학적으로 트랩된 극성자 응축체의 시간적 일관성 시간이 1 나노초를 초과하여, 개별 입자 수명보다 약 3개 정도 더 길었다.
• 자장과의 상호작용이 있는 응축체와 비교해 일관성 시간이 거의 100배 증가하여 자장에 의한 분해가 주요 원인임을 확인하였다.
• 임계값 이상에서 입자 수 변동이 감소했음에도 불구하고 지속적인 초포isson 노이즈 성분이 분해에 기여함을 확인하여, 기존 레이저 행동과 정면으로 배치되었다.
• 측정된 극성자-극성자 상호작용 강도 $U_{pp}$ 는 이론적 추정치와 이전 실험 결과와 일치하여 측정 방법의 타당성을 입증하였다.
• $U_{pp}$ 는 밀도 증가에 따라 감소하며, 온도가 낮아지면서 오실레이터 강도 포화 및 모트 전이 효과와 일치한다.
• 이 시스템은 블로흐 진동 관측 및 동적 평형 상태에서 강력한 일관성 제어를 가능하게 하는 양자 양상의 관측에 적합한 일관성 시간 영역을 달성하였다.