[논문 리뷰] Observation of solid state Rydberg exciton polariton and its condensate in a perovskite cavity

Wei Bao, Xiaoze Liu외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 20.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 33인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고품질의 페로브스카이트 기반 파르비-페로프 캐비티에서 라이드버그 엑시톤 폴라리톤(REPs)의 첫 번째 관측을 보고하며, 강한 비선형성과 두드러진 블루시프트를 보이는 일관된 폴라리톤 응축을 입증한다. 고체 상태에서의 양자역학적 상호작용을 강화하는 데 기여하는 페로브스카이트의 정방형 격자 구조로 인해, 고도로 비대칭적인 REP가 나타나며, 그 광학적 비대칭 비율은 50을 초과한다. 이는 고체 상태 양자 시스템에서 일관된 다체 라이드버그 상호작용의 역할을 강조한다.

ABSTRACT

The formation of half-light half-matter quasiparticle exciton polariton and its condensation in semiconductor optical cavities are striking phenomena for the macroscopic quantum coherence at elevated temperature. The matter constituent of exciton polariton dictates the interacting behaviors of these bosonic particles primarily via exciton-exciton interactions. However, these interactions are all limited to the ground state exciton, although they can be orders of magnitude stronger at Rydberg states with higher principal numbers. Here, for the first time, we observe the spontaneous formed Rydberg exciton polaritons (REPs) in a high quality Fabry-Perot cavity embedded with single crystal inorganic perovskite, CsPbBr3. Such REPs exhibit strong nonlinear behavior, enabling an anomalous dynamic process that leads to a coherent polariton condensate with prominent blue shift. Furthermore, we discover the first anisotropic REP with large extinction ratio over 50, arising from the perovskite's asymmetric orthorhombic crystal structure. Our observation not only sheds light on the importance of coherent many-body Rydberg interactions in polariton systems, but also paves the way for exploring these coherent interactions for solid state quantum optical information processing.

연구 동기 및 목표

• 강한 다체 상호작용을 갖는 고체 상태 플랫폼에서 라이드버그 엑시톤 폴라리톤(REPs)의 형성 원리를 탐구하기 위해.
• 기본 상태를 초월한 엑시톤-폴라리톤 시스템에서 일관된 라이드버그 상호작용의 역할을 조사하기 위해.
• 고품질 페로브스카이트 캐비티에서 REPs의 비선형 역학 및 응축 행동을 관측하고 특성화하기 위해.
• 페로브스카이트의 구조적 비대칭성을 식별하고 활용하여 고도의 광학 비대칭 비율을 갖는 폴라리톤을 생성하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 무기 페로브스카이트(CsPbBr3)를 활성 매질로 사용하는 고품질 파르비-페로프 광학 캐비티를 활용한다.
• 광학적 자극을 통해 엑시톤-폴라리톤을 생성하고 탐지하며, 라이드버그 상태의 특징적인 높은 주요 양자수를 갖는 상태에 집중한다.
• 강한 상호작용과 응축을 나타내는 블루시프트를 탐지하기 위해 발광 스펙트럼을 측정한다.
• 편광 의존성 발광 분석을 통해 REP 시스템에서의 비대칭 행동을 식별한다.
• CsPbBr3의 내재된 비대칭 정방형 격자 구조를 활용하여 강한 편광 비대칭성을 유도한다.
• 비선형 광학 기법을 적용하여 일관된 REPs 응축으로 이어지는 동적 과정을 관찰한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 엑시톤 폴라리톤은 고체 상태 반도체 캐비티 시스템에서 자발적으로 형성될 수 있는가?
• RQ2 라이드버그 엑시톤 폴라리톤의 비선형 광학적 서명은 무엇이며, 어떻게 일관된 응축을 이끌어내는가?
• RQ3 페로브스카이트의 격자 비대칭성은 관측된 폴라리톤의 편광 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기본 상태 엑시톤에 비해, 라이드버그 상태 엑시톤-엑시톤 상호작용은 폴라리톤 시스템에서 다체 효과를 얼마나 강화하는가?
• RQ5 페로브스카이트 기반 캐비티에서 고도의 광학 비대칭 비율을 갖는 비대칭 폴라리톤 응축체를 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 페로브스카이트 기반 광학 캐비티에서 자발적으로 형성된 라이드버그 엑시톤 폴라리톤(REPs)의 첫 번째 실험적 관측이 달성되었다.
• REPs는 강한 비선형성을 나타내며, 발광 스펙트럼에서 두드러진 블루시프트를 보이는 일관된 폴라리톤 응축을 이끌어낸다.
• CsPbBr3의 비대칭 정방형 격자 구조로 인해 광학 비대칭 비율이 50을 초과하는 비대칭 라이드버그 엑시톤 폴라리톤이 관측되었다.
• 관측된 REPs는 라이드버그 상태의 높은 주요 양자수로 인해 강화된 다체 상호작용를 보였다.
• REPs가 내재한 강한 상호작용 덕분에 고온에서도 매크로스코픽 양자 일관성이 유지되는 것으로 나타났다.
• 결과적으로, 이 연구는 고체 상태 플랫폼에서 일관된 라이드버그 상호작용을 활용해 양자 광학 정보 처리를 실현할 수 있는 길을 제시한다.