[论文解读] Spin-Orbit Coupled Exciton-Polariton Condensates in Lead Halide Perovskites

Michael S. Spencer, Yongping Fu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Strong Light-Matter Interactions参考文献 25被引用 5

一句话总结

本文展示了在铅卤钙钛矿微腔中实现自旋-轨道耦合的激子极化激元凝聚态，其中晶体各向异性和腔模劈裂产生由Rashba-Dresselhaus哈密顿量描述的非阿贝尔规范场。在高密度下，系统经历相变，形成具有正交极化的凝聚态，由于强激子非线性，可实现多体自旋-轨道耦合过程的量子模拟。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) is responsible for a range of spintronic and topological processes in condensed matter. Here we show photonic analogs of SOCs in exciton-polaritons and their condensates in microcavities composed of birefringent lead halide perovskite single crystals. The presence of crystalline anisotropy coupled with splitting in the optical cavity of the transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) modes gives rise to a non-Abelian gauge field, which can be described by the Rashba-Dresselhaus Hamiltonian near the degenerate points of the two polarization modes. With increasing density, the exciton polaritons with pseudospin textures undergo phase transitions to competing condensates with orthogonal polarizations. Unlike their pure photonic counterparts, these exciton polaritons and condensates inherit nonlinearity from their excitonic components and may serve as quantum simulators of many-body SOC processes.

研究动机与目标

• 探索双折射铅卤钙钛矿单晶中激子极化激元自旋-轨道耦合的产生机制。
• 研究晶体各向异性和腔模劈裂如何在微腔中产生有效规范场。
• 展示由密度和极化各向异性驱动的极化激元凝聚态相变。
• 建立激子极化激元凝聚态作为多体自旋-轨道耦合系统量子模拟器的地位。

提出的方法

• 利用双折射铅卤钙钛矿单晶作为微腔材料，诱导各向异性的光学响应。
• 设计具有不同横向电（TE）和横向磁（TM）模式的微腔，以产生非阿贝尔规范场。
• 在简并点附近使用Rashba-Dresselhaus形式建模有效哈密顿量，以描述自旋-轨道耦合。
• 通过光学激发和偏振分辨发射光谱测量极化激元凝聚态的特性。
• 分析密度依赖的、在正交极化凝聚态之间的相变行为。
• 利用钙钛矿中固有的强激子非线性，实现多体量子模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 铅卤钙钛矿中的晶体各向异性如何影响激子极化激元中有效自旋-轨道耦合的形成？
• RQ2 腔模劈裂（TE与TM模式）在为极化激元生成非阿贝尔规范场中起什么作用？
• RQ3 随着密度增加，极化激元凝聚态如何演化，其极化态由什么决定？
• RQ4 钙钛矿中的激子极化激元凝聚态能否作为多体自旋-轨道耦合系统的量子模拟器？
• RQ5 该体系中正交极化凝聚态之间的相变本质是什么？

主要发现

• 该系统由于晶体各向异性和腔模劈裂的相互作用，表现出源自非阿贝尔规范场的特性，有效实现了极化激元系统中的Rashba-Dresselhaus型自旋-轨道耦合。
• 在高激发密度下，极化激元凝聚态经历相变，形成具有正交极化纹理的态，表明存在竞争的凝聚态相。
• 凝聚态继承了来自激子组分的强非线性，从而能够模拟多体自旋-轨道耦合过程。
• 偏振分辨测量证实了凝聚态中赝自旋纹理的形成，与预测的规范场结构一致。
• 观察到的相变由多体相互作用驱动，且可通过激发密度调控，展示了对涌现量子相的控制能力。
• 该系统为利用固态材料中的光子激发，实现拓扑和自旋电子学现象的量子模拟提供了平台。