[论文解读] Observation of driven superfluidity of polaritons in a semiconductor microcavity

A. Amo, D. Sanvitto+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2007

Strong Light-Matter Interactions被引用 1

一句话总结

本研究在半导体微腔中的非平衡、耗散极化子凝聚态中展示了受驱超流性。通过创建一个以约光速1%运动的宏观简并极化子波包，研究人员观察到无扩散运动、越过障碍物时无阻力流动、瑞利散射被抑制，以及当遇到尺寸与波包相当的障碍物时波包分裂——这些现象为强驱动、非平衡系统中表现出的超流类似行为提供了证据。

ABSTRACT

Semiconductor microcavities offer a unique system to investigate the physics of weakly interacting bosons. Their elementary excitations, polaritons--a mixture of excitons and photons--behave, in the low density limit, as bosons that can undergo a phase transition to a regime characterised by long range coherence. Condensates of polaritons have been advocated as candidates for superfluidity; and the formation of vortices as well as elementary excitations with a linear dispersion are actively sought after. In this work, we have created and set in motion a macroscopically degenerate state of polaritons and let it collide with a variety of defects present in the sample. Our experiments show striking manifestations of a coherent light-matter packet that displays features of a superfluid, although one of a highly unusual character as it involves an out-of-equilibrium dissipative system where it travels at ultra-fast velocity of the order of 1% the speed of light. Our main results are the observation of i) a linear polariton dispersion accompanied with diffusion-less motion, ii) flow without resistance when crossing an obstacle, iii) suppression of Rayleigh scattering and iv) splitting into two fluids when the size of the obstacle is comparable with the size of the wavepacket. This work opens the way to the investigation of new phenomenology of out-of-equilibrium condensates.

研究动机与目标

• 研究在半导体微腔中强耦合光-物质准粒子（极化子）的非平衡、耗散系统中的超流性。
• 探索在非平衡条件下，受驱极化子凝聚态中宏观相干性和超流类似输运的出现机制。
• 研究缺陷和结构非均匀性对强驱动系统中相干极化子波包动力学的影响。
• 识别超流性的特征，如无阻力流动和在远离热平衡状态下的散射抑制。

提出的方法

• 使用光学泵浦在基于GaAs的半导体微腔中激发宏观简并极化子凝聚态。
• 设计出空间局域、相干的极化子波包，使其以极高超速（约光速的1%）传播。
• 引导运动的极化子波包与微腔中的各种缺陷和结构非均匀性发生碰撞。
• 通过时间分辨成像和光谱测量，检测波包的动力学以识别超流性特征。
• 分析极化子的色散关系，以确认线性色散和相干特性。
• 监测瑞利散射和波包分裂随障碍物尺寸及系统参数的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强耗散，受驱的非平衡极化子凝聚态中是否能出现类似超流的行为？
• RQ2 当极化子波包遇到障碍物时，是否表现出无阻力流动，从而表明其具有超流性？
• RQ3 在相干、运动的极化子波包存在下，瑞利散射被抑制的程度如何？
• RQ4 障碍物尺寸相对于波包尺寸的变化如何影响系统的动力学和相干性？
• RQ5 当障碍物尺寸与波包尺寸匹配时，系统是否表现出向双流体态的转变？

主要发现

• 极化子波包表现出无扩散运动，表明具有长程相位相干性和超流特性。
• 在波包穿越障碍物时观察到无阻力流动，这是超流性的典型特征。
• 在传播过程中瑞利散射被强烈抑制，证实了波包的相干性和鲁棒性。
• 当障碍物尺寸与波包尺寸相近时，系统分裂为两个独立的流体样组分。
• 观察到线性极化子色散关系，支持了相干、宏观简并态的存在。
• 尽管系统处于高度非平衡、耗散的环境，仍表现出超流类似行为，为非平衡量子现象开辟了新途径。