[论文解读] Cavity Optomechanics with Polariton Bose-Einstein Condensates

D. L. Chafatinos, А. С. Кузнецов+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 39被引用 5

一句话总结

该论文通过将激子-极化子的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）与微腔中20 GHz的机械振动耦合，首次实验实现了相干腔极化子光力学。在非共振激光激发下，系统表现出光力学诱导的放大和机械自振荡，产生类似Mollow三峰结构的机械边带，当相邻阱在基模的倍频处发生红失谐时，边带发射得到增强。

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.

研究动机与目标

• 探索结合腔量子电动力学与腔光力学的混合量子系统，利用极化子BEC实现。
• 通过限制在微腔阱中的极化子BEC，在固态平台中研究强光力学耦合。
• 展示类似Mollow三峰的相干边带发射与机械自振荡，类比于光力学系统中的现象。
• 确定通过将相邻阱模式在基振动模式的谐波倍频处失谐，实现增强光力学耦合的条件。

提出的方法

• 利用含有量子阱的平面半导体微腔形成激子-极化子，其与腔光子强耦合。
• 通过横向微结构工程，构建一维纳米线、三维阱及阱阵列，实现空间约束与可调的极化子能量。
• 采用非共振连续波激光激发，使系统超过BEC阈值，诱导宏观量子凝聚。
• 通过弱探测激光进行高分辨率光致发光光谱测量，检测光力学诱导的放大与边带。
• 使用包含极化子-BEC模、机械振动及通过 $\hat{H}_{\text{int}} = -\hbar G \hat{p}_{2}^\dagger \hat{p}_{1} \hat{b}_{m}^\dagger + \text{h.c.}$ 表达的光力学耦合的哈密顿量建模系统，其中 $G$ 依赖于极化子混合角。
• 在未耗尽泵浦近似下分析系统，并推导出有效光力学协同度 $C = 4N_1|G|^2/(κ_2\Gamma_m)$，以预测自振荡阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 激子-极化子的玻色-爱因斯坦凝聚体是否能在微腔光力学系统中诱导相干机械自振荡？
• RQ2 阱间耦合与失谐在极化子BEC中增强机械边带发射方面起什么作用？
• RQ3 BEC发射中的机械边带是否由于强光力学耦合而表现出类似Mollow三峰的结构？
• RQ4 在基于极化子的光力学系统中，系统的协同度如何随极化子数目与耦合强度变化？
• RQ5 在特定失谐条件下，高阶光力学相互作用（如与声子呈二次关系）是否可能占主导地位？

主要发现

• 当激发功率超过阈值时，在极化子BEC中观测到机械自振荡，表明相干机械模被放大。
• 在光致发光光谱中分辨出类似Mollow三峰的机械边带，证实了强光力学耦合与相干动力学。
• 当相邻阱在基模20 GHz呼吸模式的整数倍频率处发生红失谐时，边带发射得到增强。
• 由于BEC中存在大体积的相干布居，光力学协同度 $C$ 得到增强，即使光子寿命较短，仍可实现强耦合。
• 理论建模证实，自振荡阈值由 $C = 4N_1|G|^2/(κ_2\Gamma_m)$ 决定，其中 $N_1$ 与泵浦功率成正比。
• 在特定失谐条件（如 $\Omega_1 - \Omega_2 = 2\omega_m$）下，高阶光力学项（如 $G_2 \hat{p}_2^\dagger \hat{p}_1 (\hat{b}_m^\dagger)^2$）被识别为可能具有显著影响。