[논문 리뷰] Measurement of polariton-polariton interaction strength in the Thomas-Fermi regime of polariton condensation

Eliezer Estrecho, Tingge Gao외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 04.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 39인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 광학적으로 유도된 상자 퍼텐셜에 고밀도 펄라리톤을 봉쇄하여 비균형 상태의 엑시톤-퍼럴론 응축의 토머스-페르미 영역에서 펄라리톤-펄라리톤 상호작용 강도를 측정한다. 이 방법은 상호작용 강도의 불확실성을 이론적 예측의 3배 이내로 줄여주며, 비균형 시스템에서 상호작용에 의해 유도되는 양자 현상을 연구할 수 있는 청소년 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

Bosonic condensates of exciton polaritons (light-matter quasiparticles in a semiconductor) provide a solid-state platform for studies of non-equilibrium quantum systems with a spontaneous macroscopic coherence. These driven, dissipative condensates typically coexist and interact with an incoherent reservoir, which undermines measurements of key parameters of the condensate. Here, we overcome this limitation by creating a high-density exciton-polariton condensate in an optically-induced box trap. In this so-called Thomas-Fermi regime, the condensate is fully separated from the reservoir and its behaviour is dominated by interparticle interactions. We use this regime to directly measure the polariton-polariton interaction strength, and reduce the existing uncertainty in its value from four orders of magnitude to within three times the theoretical prediction. The Thomas-Fermi regime has previously been demonstrated only in ultracold atomic gases in thermal equilibrium. In a non-equilibrium exciton-polariton system, this regime offers a novel opportunity to study interaction-driven effects unmasked by an incoherent reservoir.

연구 동기 및 목표

• 드라이브된, 소산성 응축체에서 펄라리톤-펄라리톤 상호작용을 측정할 때 발생하는 저장소 유도 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 응축체를 비균형 저장소로부터 분리하여 입자 간 상호작용이 지배하는 영역에 도달하기 위해.
• 실험적 불확실성이 크게 감소된 상태에서 펄라리톤-펄라리톤 상호작용 강도를 직접 측정하기 위해.
• 이전에는 초저온 원자 기체에서만 관측된 바 있었던 비균형 상태, 고체 상태의 펄라리톤 시스템에서 토머스-페르미 영역을 실험적으로 실현하기 위해.
• 저장소 효과에 의해 가려지지 않은, 상호작용에 의해 유도되는 양자 현상의 청소년 연구를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 광학적으로 유도된 상자 퍼텐셜에 고밀도 엑시톤-퍼럴론 응축체를 생성하여 응축체를 공간적으로 봉쇄하고 저장소로부터 분리하기 위해.
• 응축체의 밀도 프로파일이 주로 입자 간 상호작용과 외부 퍼텐셜에 의해 결정되는 토머스-페르미 영역에서 작동하기 위해.
• 공간 해상도가 높은 분광법을 사용하여 응축체의 밀도 프로파일을 추출하고, 밀도 분포의 곡률에서 상호작용 강도를 유추하기 위해.
• 응축체 웨이브펑션을 모델링하기 위해 토머스-페르미 근사를 적용하고, 측정된 밀도 프로파일에서 상호작용 파라미터를 추출하기 위해.
• 추출된 상호작용 강도를 이론적 예측과 비교하여 불확실성 감소 정도를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고밀도, 고립된 응축체에서 펄라리톤-펄라리톤 상호작용 강도의 정확한 값은 무엇인가?
• RQ2 저장소 기여를 제거함으로써 상호작용 강도에 대한 실험적 불확실성은 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 비균형 상태, 드라이브-소산성 펄라리톤 시스템에서 토머스-페르미 영역을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ4 저장소가 완전히 분리되었을 때 입자 간 상호작용이 응축체 거동을 어떻게 지배하는가?

주요 결과

• 펄라리톤-펄라리톤 상호작용 강도는 이론적 예측의 3배 이내로 불확실성이 감소된 상태에서 측정되었다.
• 비균형 상태, 고체 상태의 펄라리톤 시스템에서 토머스-페르미 영역이 성공적으로 실현되어 상호작용 지배 물리 현상을 청소년적으로 관찰할 수 있었다.
• 응축체는 비균형 저장소로부터 완전히 고립되어 측정된 상호작용 강도에 대한 영향을 제거하였다.
• 측정된 상호작용 강도는 이론적 예측과 3배 이내로 일치하였으며, 이는 이전 측정치의 10,000배 수준의 불확실성에 비해 크게 향상된 결과였다.
• 이 방법은 드라이브-소산성 시스템에서 상호작용에 의해 유도되는 양자 현상을 연구하는 데 있어 강력한 플랫폼을 제공한다.