[论文解读] First-order dissipative phase transition in an exciton-polariton condensate

Galbadrakh Dagvadorj, Michał Kulczykowski+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Strong Light-Matter Interactions参考文献 44被引用 11

一句话总结

本研究通过非简并库仑势场驱动的二维激子-极化子凝聚态中，揭示了由非凝聚库仑势场引起的首阶耗散相变。利用截断Wigner方法，作者识别出从空间调制的非均匀态到均匀凝聚态的相变，其特征为密度和关联长度的不连续跃迁、相共存以及亚稳态——同时在非均匀相中观察到类似Berezinskii-Kosterlitz-Thouless的涡旋解离转变。

ABSTRACT

We investigate the phase diagram of a two-dimensional driven-dissipative system of polaritons coupled to the excitonic reservoir. We find that two critical points exists. The first corresponds to the quasi-condensation and the second to a first-order phase transition from the non-uniform state with spatially modulated density to a uniform state. The latter is related to the modulational instability of a homogeneous state due to the repulsive interactions with the non-condensed reservoir. The first-order character of the transition is evidenced by a discontinuity in the density and the correlation length as well as the phase coexistence and metastability. Moreover, we show that a signature of a Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-like transition can be observed in the non-uniform phase.

研究动机与目标

• 研究包含库仑势场耦合的驱动-耗散激子-极化子系统的完整相图。
• 确定均匀凝聚态模态不稳定性相关的临界行为。
• 识别并表征准凝聚态之后第二个临界点的性质。
• 探索在量子耗散系统中首阶相变与Berezinskii-Kosterlitz-Thouless型相变共存的机制。
• 阐明库仑势场在实现非平衡系统中非平凡相变行为中的作用，这些行为无法被平均场模型捕捉。

提出的方法

• 采用截断Wigner方法模拟下极化子场ψ(r, t)和库仑势场密度nr(r, t)的随机动力学。
• 使用含量子噪声的随机Gross-Pitaevskii方程，并通过散射速率Rscnr和相互作用强度gr与库仑势场耦合。
• 应用平均场近似推导均匀解稳定性的解析条件。
• 进行动力学模拟，探测临界点附近瞬态过程中的相共存与亚稳态。
• 通过分析空间关联函数及涡旋-反涡旋对配对行为，检测非均匀态中类似BKT的物理现象。
• 将系统的相图与经典模型（如活性物质的Vicsek模型）进行比较，突出相变行为的类比性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在准凝聚态转变之后，驱动-耗散极化子系统中是否存在首阶耗散相变？
• RQ2 在远离热平衡的量子系统中，首阶相变的特征表现为何，特别是在缺乏热化的情况下？
• RQ3 与非凝聚库仑势场的耦合如何影响相变的出现与临界行为？
• RQ4 在驱动-耗散量子系统中，Berezinskii-Kosterlitz-Thouless型物理能否与首阶相变共存？
• RQ5 空间非均匀性在非均匀凝聚态中如何掩盖或改变BKT标度律？

主要发现

• 在空间调制的非均匀态与均匀凝聚态之间发生首阶耗散相变，其证据为平均密度和关联长度的不连续跃迁。
• 该相变在瞬态动力学中表现出亚稳态与相共存，尽管缺乏标度律，仍确认其首阶特性。
• 非均匀相中存在典型Berezinskii-Kosterlitz-Thouless物理的涡旋-反涡旋对，但因空间非均匀性导致BKT标度被抑制。
• 最大关联长度受限于单个凝聚态岛的尺寸，从而阻止长程序并掩盖关联函数的代数衰减行为。
• 相图与活性物质的Vicsek模型高度相似，均表现出图案形成区域及由密度场耦合引发的不连续相变。
• 首阶相变的临界点由均匀解稳定性分析导出的条件P/PMF > (gr/g)(γ/γr)决定。