[논문 리뷰] Interaction induced point scatterer lattices and flat band condensation of exciton-polaritons

Sergey Alyatkin, Helgi Sigurðsson외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 06.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 점점산자와 가우시안 빔을 이용한 비공명 펌핑을 통해 두 차원의 엑시톤-폴라리톤 격자를 전적으로 광학적으로 생성하고, S-밴드 및 비산란성 P-밴드 상태에서 완전히 광학적으로 생성된 응축을 달성한다. 에너지 톰그래피는 리브 격자 구성을 통해 복잡한 밴드 구조를 드러내며, 조절 가능한 비공명 광학 퍼텐셜에서 평탄한 밴드 응축을 관측할 수 있게 한다.

ABSTRACT

One of the recently established paradigms in the study of condensed matter physics is examining a system's behaviour in artificially constructed potentials. This allows one to obtain insight on a range of physical phenomena which may require non-feasible or hardly achievable experimental conditions. Here, we devise and implement an all-optical approach to a system of exciton-polaritons in semiconductor microcavities to load the particles into desired periodic potentials. We demonstrate a two-dimensional system of polariton condensates in two regimes - lattices of point scatterers, and confined states through non-resonant pumping with Gaussian beams arranged in a conventional, and an inverse Lieb configuration. We utilize energy tomography on the coherent polariton emission to reveal the intricate band structure of polaritonic Lieb lattices, and report on fully optically generated polariton condensation in S-, and dispersionless P-band states.

연구 동기 및 목표

• 모든 광학적 방법을 사용하여 인공적으로 설계된 주기적 퍼텐셜에서 엑시톤-폴라리톤의 거동을 탐구하기 위해.
• 가우시안 빔을 이용한 비공명 펌핑을 통해 점점산자 격자와 국소화된 상태를 두 차원적으로 실현하기 위해.
• 설계된 폴라리톤 격자에서 S-밴드 및 비산란성 P-밴드 응축의 형성과 특성을 조사하기 위해.
• 에너지 톰그래피를 활용하여 폴라리톤 리브 격자의 복잡한 밴드 구조를 매핑하기 위해.

제안 방법

• 반도체 마이크로카비티에서 설계된 주기적 퍼텐셜에 엑시톤-폴라리톤을 전적으로 광학적으로 로딩하기 위해.
• 공간적으로 형상화된 가우시안 빔을 이용한 비공명 펌핑을 통해 기존의 리브 격자와 역리브 격자 배열을 모두 생성하기 위해.
• 국소화된 광학 퍼텐셜을 통해 점점산자 격자를 설계하여 두 차원에서 폴라리톤을 국소화하기 위해.
• 격자 시스템의 밴드 구조를 재구성하기 위해 응집된 폴라리톤 방출에 에너지 톰그래피를 적용하기 위해.
• 격자 기하학을 제어하여 표준 및 역리브 배열을 실현하여 비교 연구를 수행하기 위해.
• 방출 스펙트럼을 측정하여 S-밴드 및 비산란성 P-밴드 상태에서의 응축을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 광학적 방법을 사용하여 반도체 마이크로카비티에서 조절 가능한 두 차원 폴라리톤 격자를 생성할 수 있는가?
• RQ2 광학적 공학을 통해 형성된 폴라리톤 리브 격자의 밴드 구조 특성은 무엇인가?
• RQ3 이러한 격자에서 S-밴드 및 비산란성 P-밴드 상태에서 완전히 광학적으로 생성된 응축이 발생하는가?
• RQ4 역리브 격자 배열은 폴라리톤 응축과 밴드 산란에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 에너지 톰그래피는 설계된 폴라리톤 격자의 복잡한 밴드 구조를 어느 정도 해상도로 복원할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 설계된 격자 내에서 S-밴드 및 비산란성 P-밴드 상태에서 엑시톤-폴라리톤의 완전한 광학적 응축을 달성한다.
• 에너지 톰그래피를 통해 폴라리톤 리브 격자의 복잡한 밴드 구조, 특히 평탄한 P-밴드 산란을 성공적으로 드러낸다.
• P-밴드에서의 응축이 산란이 없음을 확인하여 강한 국소화와 억제된 군속도를 나타낸다.
• 역리브 격자 배열은 기존 배열과는 다름없는 고유한 국소화 및 밴드 구조 특성을 지닌다.
• 형상화된 가우시안 빔을 이용한 비공명 펌핑은 설계된 격자 퍼텐셜 내에서 안정적이고 제어 가능한 폴라리톤 응축 형성을 가능하게 한다.
• 실험적 실현은 모든 광학 기법을 사용하여 폴라리톤 시스템에서 이상한 양자 상을 공학하고 탐측하는 것이 가능함을 보여준다.