[论文解读] A model for exciton-polaritons in uniaxial molecular crystals describing spatial dispersion, refraction and reflection

Stefan C. J. Meskers, Girish Lakhwani|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2016

Strong Light-Matter Interactions参考文献 57被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于粗粒化方法与经典洛伦兹振子的场论模型，用于描述双轴分子晶体中的激子-极化激元。该模型推导出描述具有质量的矢量玻色子传播的普罗卡型方程，从而能够计算折射、反射及表面效应——预测存在三条折射射线和一个戈斯-哈恩琴位移，且反射率谱在共振附近显示出特征最小值，与实验结果一致。

ABSTRACT

Propagation of light through a uniaxial material is studied using field theoretical methods. The materials is modeled by cubic lattice of oriented classical Lorentz oscillators. A two-step coarse graining approach is applied. At the bulk level, excitations of the coupled light-matter system, or polaritons, are described by a Proca-type equation for massive vector bosons. On the microscopic level, multiple scattering is used to relate the sub-luminal speed of the polaritons to the polarizability of the Lorentz oscillators. For each direction of propagation of the polaritons, three independent polarizations exist, consistent with the integer spin of massive vector bosons. Reflection and refraction are calculated by imposing the requirement of a uniform gauge for the electromagnetic vector potential across the interface of the uniaxial molecular material and vacuum. Reflectance spectra near the resonance frequency are calculated. The spectra feature a characteristic minimum in middle of the reflection band, in agreement with experiment. An incident unpolarized light beam is predicted to refract into three different rays. The model supports surface bound excitations and predicts a Goos-Haenchen shift of the reflected beam upon reflection of light incident from vacuum onto the material.

研究动机与目标

• 开发一种描述双轴分子晶体中具有空间色散效应的光-物质耦合的场论描述。
• 通过两步粗粒化程序，将激子-极化激元建模为具有质量的矢量玻色子。
• 推导并求解真空-双轴晶体界面处的反射与折射方程。
• 预测并解释实验特征，如反射率最小值与多射线折射现象。
• 研究表面束缚激发态及反射时的光束位移。

提出的方法

• 将晶体建模为具有偶极-偶极相互作用的取向经典洛伦兹振子立方晶格。
• 采用两步粗粒化：首先推导有效介质响应，然后获得描述具有质量的矢量玻色子的宏观普罗卡型方程。
• 利用多重散射理论，将极化激元的亚光速传播与振子极化率联系起来。
• 在真空-晶体界面处对电磁矢量势施加统一规范条件，以确保反射与折射计算的一致性。
• 求解所得边界值问题，以计算反射率谱与光束轨迹。
• 包含表面模态，并通过反射波中的相位移分析戈斯-哈恩琴位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有空间色散的双轴分子晶体中，激子-极化激元如何传播？
• RQ2 实验中在共振附近观测到的特征反射率最小值的起源是什么？
• RQ3 为何非偏振光束在该类晶体中会折射为三条独立射线？
• RQ4 在双轴晶体-真空界面反射时，戈斯-哈恩琴位移如何产生？
• RQ5 具有质量的矢量玻色子描述在捕捉不同传播方向下极化激元行为方面起到何种作用？

主要发现

• 该模型预测，由于具有质量的矢量玻色子具有三种独立极化态，非偏振入射光束会折射为三条独立射线。
• 反射率谱在反射带中间位置表现出特征最小值，与实验观测结果在激子共振频率附近一致。
• 该模型预测反射光束存在戈斯-哈恩琴位移，其源于具有质量的矢量极化激元在界面处引起的相位移。
• 该模型支持表面束缚激发态，表明在晶体-真空界面存在局域模态。
• 通过多重散射理论，极化激元的亚光速传播被定量地与洛伦兹振子的极化率关联起来。
• 普罗卡型方程成功描述了完整的电磁响应，包括各向异性传播以及与极化相关的折射与反射行为。