[论文解读] Asymmetric Rydberg blockade of giant excitons in Cuprous Oxide

Julian Heckötter, Valentin Walther+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 31被引用 37

一句话总结

本研究通过双色泵浦-探测激发方案，在氧化亚铜（Cu₂O）中的巨激子中实现了非对称里德堡阻塞，实现了长达数微米距离的强长程相互作用。关键结果是观察到具有明显阻塞半径的普适幂律相关多体态，其范围延伸至微米尺度，该结果通过物种间相互作用的光谱特征和空间相关性的证实得以验证。

ABSTRACT

The ability to generate and control strong long-range interactions via highly excited electronic states has been the foundation for recent breakthroughs in a host of areas, from atomic and molecular physics [1, 2] to quantum optics [3, 4] and technology [5-7]. Rydberg excitons provide a promising solid-state realization of such highly excited states, for which record-breaking orbital sizes of up to a micrometer have indeed been observed in cuprous oxide semiconductors [8]. Here, we demonstrate the generation and control of strong exciton interactions in this material by optically producing two distinct quantum states of Rydberg excitons. This makes two-color pump-probe experiments possible that allow for a detailed probing of the interactions. Our experiments reveal the emergence of strong spatial correlations and an inter-state Rydberg blockade that extends over remarkably large distances of several micrometers. The generated many-body states of semiconductor excitons exhibit universal properties that only depend on the shape of the interaction potential and yield clear evidence for its vastly extended-range and power-law character.

研究动机与目标

• 在固态平台上探测半导体激子的长程强关联多体态。
• 克服固态系统中光谱位移常主导于空间关联的挑战。
• 实现并表征具有不同主量子数的两种不同里德堡激子态之间的非对称里德堡阻塞。
• 证明激子之间的相互作用势在微米尺度距离上表现出普适的长程幂律特性（V ∝ r⁻⁶）。
• 利用一种激子物种作为探测器，直接观测由另一种激子诱导的空间关联与阻塞效应。

提出的方法

• 采用光谱窄带激光的双色光学激发方案，在不同量子态中制备里德堡激子（泵浦：n′ = 16，探测：n = 6–20）。
• 使用斩波调制的泵浦光束与锁相检测，测量差分探测透射∆I，以分离由相互作用引起的透射变化。
• 在不同泵浦功率下测量探测吸收光谱，以绘制相互作用效应与激子密度的依赖关系。
• 应用平均场理论模型与实验数据对比，发现其无法捕捉强关联效应。
• 采用基于关联的理论模型，考虑激发阻塞与空间关联，以解释观测到的普适光谱形状。
• 从数据中提取空间关联函数g(2)(r)，揭示了数微米量级的扩展阻塞半径。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过双色泵浦-探测光谱在固态材料中探测里德堡激子之间的强长程相互作用？
• RQ2 Cu₂O中巨激子的里德堡阻塞的空间范围有多大？是否超过典型的原子尺度范围？
• RQ3 处于不同里德堡态的激子之间的物种间相互作用如何影响探测场的光谱响应？
• RQ4 观测到的相互作用特征是否表现出与微观细节无关的普适标度行为，如幂律势所预测的那样？
• RQ5 能否在实验中实现并表征非对称阻塞区域——即物种间相互作用主导于同类相互作用的区域？

主要发现

• Cu₂O激子中的里德堡阻塞半径延伸至数微米，远超典型的原子尺度阻塞范围。
• 激子之间的相互作用势表现出普适的幂律依赖关系V(r) ∝ r⁻⁶，由观测到的光谱形状及差分透射信号的标度关系证实。
• 测量的差分探测透射∆I随泵浦功率增加，表明存在强物种间相互作用与空间关联。
• 平均场理论无法再现观测到的光谱特征，特别是固定失谐∆max与∆0处的普适极大值与极小值，表明强多体关联占主导。
• 泵浦与探测激子之间的空间关联函数g(2)(r)在阻塞半径以下表现出显著阻塞，证实了长程量子关联的存在。
• 该系统表现出明显的非对称阻塞，即不同里德堡态之间的相互作用占主导，使得一种物种可作为对另一种的灵敏探测器。