[論文レビュー] First-order dissipative phase transition in an exciton-polariton condensate

Galbadrakh Dagvadorj, Michał Kulczykowski+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Strong Light-Matter Interactions参考文献 44被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、非凝縮状態のレザボアと反発的相互作用する2次元の励振子極子凝縮系において、1次相転移の散逸的性質が明らかにされた。Truncated Wignerアプローチを用いて、空間的に周期的な非一様状態から一様凝縮状態への転移が同定され、密度および相関長の不連続なジャンプ、位相共存、準安定性を示した。加えて、非一様状態ではBerezinskii-Kosterlitz-Thoulessに類似した渦の分離転移が観察された。

ABSTRACT

We investigate the phase diagram of a two-dimensional driven-dissipative system of polaritons coupled to the excitonic reservoir. We find that two critical points exists. The first corresponds to the quasi-condensation and the second to a first-order phase transition from the non-uniform state with spatially modulated density to a uniform state. The latter is related to the modulational instability of a homogeneous state due to the repulsive interactions with the non-condensed reservoir. The first-order character of the transition is evidenced by a discontinuity in the density and the correlation length as well as the phase coexistence and metastability. Moreover, we show that a signature of a Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-like transition can be observed in the non-uniform phase.

研究の動機と目的

• 駆動・散逸する励振子極子系の完全な相図を、レザボア結合を含めて調査すること。
• 均一凝縮状態の不安定性に起因する臨界行動を特定すること。
• 準凝縮状態を超えた第2の臨界点の性質を同定し、特徴づけること。
• 量子的散逸系において1次相転移とBerezinskii-Kosterlitz-Thoulessに類似した転移が共存するかを調査すること。
• レザボアが、平均場モデルでは捉えきれない非平衡的相転移を可能にする役割を確立すること。

提案手法

• 下位極子場 ψ(r, t) とレザボア密度 nr(r, t) の確率的ダイナミクスをシミュレートするためにTruncated Wignerアプローチを採用した。
• 量子ノイズを含む確率的Gross-Pitaevskii方程式を用い、散乱率 Rscnr および相互作用強度 gr を介してレザボアと結合させた。
• 均一解の安定性に関する解析的条件を導出するために、平均場近似を適用した。
• 臨界点付近での一時的位相共存および準安定性を調査するために、動的シミュレーションを実施した。
• 空間相関関数および渦-反渦ペアの分析を通じて、非一様状態におけるBKTに類似した物理的性質を検出した。
• 系の相図を、アクティブマターのVicsekモデルのような古典的モデルと比較し、相挙動における類似性を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動・散逸系における励振子極子系において、準凝縮転移を超えて1次散逸的相転移が存在するか？
• RQ2 熱化が行われない非平衡な量子系において、1次相転移の兆候は何か、特にその特徴は何か？
• RQ3 非凝縮レザボアとの結合が、相転移および臨界行動の出現にどのように影響するか？
• RQ4 駆動・散逸量子系において、Berezinskii-Kosterlitz-Thoulessに類似した物理と1次相転移が共存可能か？
• RQ5 空間的非一様性が、非一様凝縮状態におけるBKTスケーリング則の隠蔽または変更に果たす役割は何か？

主な発見

• 空間的に周期的な非一様状態と一様凝縮状態との間で1次散逸的相転移が発生し、平均密度および相関長の不連続なジャンプによって裏付けられた。
• 転移は一時的ダイナミクスにおいて準安定性および位相共存を示し、スケーリング則の欠如にもかかわらず、その1次的性質が確認された。
• 非一様状態では、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless物理に特徴的な渦-反渦ペアが存在するが、空間的非一様性のためBKTスケーリングは抑制されている。
• 最大相関長は個々の凝縮状態の島のサイズに制限され、長距離秩序の発生を防ぎ、相関関数の代数的減衰の隠蔽が生じている。
• 相図はアクティブマターのVicsekモデルと類似しており、密度場との結合に起因するパターン形成領域および不連続転移領域を示している。
• 1次相転移の臨界点は、均一解の安定性解析から導かれた条件 P/PMF > (gr/g)(γ/γr) によって支配されている。