[論文レビュー] One-dimensional ZnO exciton polaritons with negligible thermal broadening at room temperature

A. A. P. Trichet, Lu Sun+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2009

Strong Light-Matter Interactions参考文献 35被引用数 74

ひとこと要約

本論文は、1次元のZnOマイクロワイヤーが、室温で顕著な熱的幅の拡大を示さない励起子ポラリトンを支持することを示している。これは、最大300 meVに達する大きなラビ分裂のおかげで、励起子がフォノンによる位相崩壊から分離されるためである。囁きのギャラリー状態における強い光-物質結合によりフォノン減衰が抑制され、常温下でも頑健な量子効果が実現可能である。

ABSTRACT

Phonon damping is the main source of pure dephasing in the solid state, limiting many fundamental quantum effects to low temperature observations. Here we show how excitons in semiconductors can be totally decoupled from the phonon bath, even at room temperature, thanks to their strong interaction with photons. To do so, we investigated ZnO microwires, a new semiconductor nanostructure made of large band-gap material where the light can be trapped and guided into whispering gallery modes. In this system, the very large coupling regime between exciton and photon results in unusual exciton-polariton of one-dimensional character and Rabi splitting as large as 300meV. We find that polariton modes of excitonic fraction up to 75% exhibit no thermal broadening up to room temperature. We show that this remarkable behavior is due to the very large Rabi splitting as compared to the LO phonon energy.

研究の動機と目的

• フォノンによる位相崩壊を抑制することで、半導体で室温下でも頑健な量子効果を実現すること。
• ZnOマイクロワイヤー内の励起子ポラリトンが高温度下でもコherentlyを維持できるかどうかを調査すること。
• 強い光-物質結合が励起子をフォノンバスタッチから分離する役割を果たすメカニズムを解明すること。
• 大きなラビ分裂が励起子系における熱的幅の拡大を抑制できることを実証すること。
• ZnOマイクロワイヤーを室温下で動作するポラリトニクス素子のプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 大きなバンドギャップと高い品質を有するZnOマイクロワイヤーを用い、光学的閉じ込めを実現するための囁きのギャラリー状態を支持すること。
• 1次元ナノ構造における高Qファクター共鳴器を用いて、強い励起子-光子結合を実現すること。
• 最大300 meVに達するラビ分裂を測定し、これはL.O.フォノンエネルギー（約90 meV）を著しく上回る。
• 温度依存のポラリトンモードの線幅を測定し、熱的幅の拡大の程度を評価すること。
• 励起子分率（最大75%）と位相崩壊率を定量的に比較することで、フォノンからの分離状態を特定すること。
• マイクロフォトルミネッセンス分光法を用いて、温度変化に伴うポラリトン分散および線幅をプローブすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZnOマイクロワイヤー内の励起子ポラリトンは、フォノン相互作用が存在する中でも室温下でコherentlyを維持できるか？
• RQ2 大きなラビ分裂が励起子系におけるフォノンによる位相崩壊をどの程度抑制できるか？
• RQ3 室温下で顕著な熱的幅の拡大を示さないポラリトンにおいて、最大でどの程度の励起子分率が達成可能か？
• RQ4 ZnOマイクロワイヤーの1次元的閉じ込めが、結合強度および位相崩壊メカニズムにどのように影響を与えるか？
• RQ5 常温下の固体系において、フォノンバスタッチが効果的に励起子から分離可能か？

主な発見

• 最大75%の励起子的性質を示すポラリトンモードは、室温まで顕著な熱的幅の拡大を示さない。
• ラビ分裂は300 meVに達し、これはL.O.フォノンエネルギー（約90 meV）を著しく上回るため、フォノンからの有効な分離が可能である。
• 300 Kでも熱的幅の拡大は無視できるほど小さく、強い結合状態下での頑健な位相崩壊抑制が示された。
• ZnOマイクロワイヤーの1次元的性質が光の閉じ込めを強化し、高品質な囁きのギャラリー状態を実現した。
• 本システムは、冷却を要しない常温下でのポラリトニクス系における量子効果の実現可能性を示した。
• 観察された挙動は、励起子とフォノンの結合を抑制する大きなラビ分裂に起因すると考えられる。