[论文解读] Bose Polaron Interactions in a Cavity-Coupled Monolayer Semiconductor

Li Bing Tan, Oriana K. Diessel+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2022

Strong Light-Matter Interactions被引用 5

一句话总结

本研究证明，在单层MoSe2半导体中，通过强耦合至相干极化子浴，可以将激子极化子杂质之间的排斥相互作用反转为吸引相互作用，形成玻色极化子。利用时间分辨泵浦-探测光谱法与双激发子费什巴赫共振，作者直接测量了极化子-极化子相互作用，并揭示了在强耦合区域中，准粒子相互作用由排斥转变为吸引，这是在任何系统中首次直接测量此类相互作用。

ABSTRACT

The interaction between a mobile quantum impurity and a bosonic bath leads to the formation of quasiparticles, termed Bose polarons. The elementary properties of Bose polarons, such as their mutual interactions, can differ drastically from those of the bare impurities. Here, we explore Bose polaron physics in a two-dimensional nonequilibrium setting by injecting $σ^-$ polarised exciton-polariton impurities into a bath of coherent $σ^+$ polarised polaritons generated by resonant laser excitation of monolayer MoSe$_2$ embedded in an optical cavity. By exploiting a biexciton Feshbach resonance between the impurity and the bath polaritons, we tune the interacting system to the strong-coupling regime and demonstrate the coexistence of two new quasiparticle branches. Using time-resolved pump-probe measurements we observe how polaron dressing modifies the interaction between impurity polaritons. Remarkably, we find that the interactions between high-energy polaron quasiparticles, that are repulsive for small bath occupancy, can become attractive in the strong impurity-bath coupling regime. Our experiments provide the first direct measurement of Bose polaron-polaron interaction strength in any physical system and pave the way for exploration and control of many-body correlations in driven-dissipative settings.

研究动机与目标

• 研究驱动-耗散、非平衡量子系统中准粒子之间的多体相互作用。
• 探索玻色极化子形成是否能介导本质上排斥的杂质之间的吸引相互作用。
• 测量固态腔耦合单层半导体中极化子-极化子相互作用的强度与符号。
• 研究强耦合与极化子屏蔽在非微扰区域中对有效相互作用的调节作用。

提出的方法

• 使用σ−-偏振探测脉冲的时间分辨泵浦-探测光谱法，在MoSe2单层中创建K′-谷激子极化子杂质的可控密度。
• 通过共振激光激发σ+ -偏振的低极化子浴，构建相干多体环境。
• 利用双激发子费什巴赫共振，将杂质与浴极化子之间的相互作用强度调节至强耦合区域。
• 通过测量泵浦-探测延迟和杂质密度依赖的透射光谱，提取极化子共振能量与相互作用位移。
• 基于扩展的玻色极化子理论进行理论建模，适用于有限极化子密度，包含非微扰屏蔽效应。
• 使用0D光纤腔，配备DBR涂层熔融石英衬底与石墨烯背栅，以控制腔体失谐与电子特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过固态系统中多体屏蔽，将准粒子之间的相互作用符号由排斥反转为吸引？
• RQ2 随着杂质密度与耦合强度的增加，极化子-极化子相互作用如何演化？
• RQ3 激子的耗散特性在极化子图像中对吸引相互作用的出现有多大影响？
• RQ4 在驱动-耗散量子系统中，极化子-极化子相互作用强度的直接实验测量是什么？

主要发现

• 在强耦合区域，高能排斥性玻色极化子之间的相互作用被反转为吸引，展示了涌现的多体吸引。
• 首次在固态系统中直接实现玻色极化子-极化子相互作用强度的实验测量。
• 极化子屏蔽降低了高能准粒子之间的有效相互作用强度，符号反转发生在强耦合区域。
• 理论建模证实，极化子形成介导了吸引相互作用，而激子的耗散特性仅起次要作用。
• 该系统在强耦合区域表现出两种不同的准粒子分支——排斥性和吸引性极化子，共存于同一系统。
• 探测透射光谱中的共振能量位移与杂质密度成比例，证实了有限密度极化子气体的形成。