[论文解读] Collective excitations of exciton-polariton condensates in a synthetic gauge field

Dąbrówka Biegańska, Maciej Pieczarka+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 59被引用 21

一句话总结

本研究通过实验测量了在由微腔各向异性诱导的合成规范场作用下，高密度激子-极化子凝聚态中的集体激发。利用偏振分辨光致发光断层扫描，作者观测到强烈的各向异性色散关系，并提取了自旋依赖的相互作用强度，证实了自旋极化子非线性 regime 中狄拉克锥状交叉及非阿贝尔规范场效应的理论预测。

ABSTRACT

Collective (elementary) excitations of quantum bosonic condensates, including condensates of exciton polaritons in semiconductor microcavities, are a sensitive probe of interparticle interactions. In anisotropic microcavities with momentum-dependent TE-TM splitting of the optical modes, the excitations dispersions are predicted to be strongly anisotropic, which is a consequence of the synthetic magnetic gauge field of the cavity, as well as the interplay between different interaction strengths for polaritons in the singlet and triplet spin configurations. Here, by directly measuring the dispersion of the collective excitations in a high-density optically trapped exciton-polariton condensate, we observe excellent agreement with the theoretical predictions for spinor polariton excitations. We extract the inter- and intra-spin polariton interaction constants and map out the characteristic spin textures in an interacting spinor condensate of exciton polaritons.

研究动机与目标

• 探究自旋极化子凝聚态的非线性 regime，其中合成规范场与自旋依赖的相互作用共存。
• 在受控各向异性条件下测量动量空间中的集体激发色散关系。
• 从实验数据中提取三重态（α₁）和单重态（α₂）相互作用强度。
• 绘制相互作用凝聚态中的自旋结构与规范场分布。

提出的方法

• 采用冷却至 4 K 的 GaAs 基微腔，其光子线宽较窄（>100 ps），以分辨各向异性极化子色散。
• 使用非共振连续波激光，将其整形为环形，以在二维空间中形成极化子阱。
• 采用 H/V 和 D/A 偏振基进行偏振分辨光致发光断层扫描，以探测赝自旋态。
• 通过相对于单色仪狭缝移动成像透镜，测量动量空间中的色散关系。
• 将实验数据拟合至包含 TE-TM 分裂与腔体各向异性的自旋极化子哈密顿量（公式 1），以提取 β、Ω 和 ϕ。
• 从偏振强度计算斯托克斯参数 S₁ 和 S₂，以重构动量空间中的赝自旋结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在合成规范场作用下，高密度激子-极化子凝聚态中的集体激发如何行为？
• RQ2 自旋依赖的相互作用（α₁, α₂）在塑造激发色散关系与自旋结构中起什么作用？
• RQ3 预测的各向异性狄拉克锥状交叉与非阿贝尔规范场效应是否可在非线性 regime 中实验观测到？
• RQ4 所测色散关系与自旋极化子激发的理论预测相比如何？

主要发现

• 测得的集体激发色散表现出强烈的各向异性，沿各向异性轴方向（k∥）呈现狄拉克锥状交叉，与理论预测一致。
• 提取的三重态相互作用强度为 α₁ = (14.89 ± 0.92) µeV µm⁻²，单重态相互作用强度为 α₂ = (28.1 ± 2.2) µeV，证实 |α₂| ≪ α₁。
• 动量空间中的交叉点位于 k*∥ = 0.971 µm⁻¹，对应于 TE-TM 分裂与光学各向异性效应的抵消。
• 偏振分辨断层扫描揭示了在二重点周围具有特征性的单极赝自旋结构，证实了有效非阿贝尔规范场的存在。
• 各向异性轴方向确定为 ϕ = −15°（相对于 +x 轴），与样品取向一致，且与模型相符。
• 实验数据与自旋极化子激发在合成规范场下的理论模型高度一致，验证了非线性 regime 中的预测。