[论文解读] Giant increase of temporal coherence in optically trapped polariton condensate

Alexis Askitopoulos, Lucy Pickup+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2019

Strong Light-Matter Interactions参考文献 46被引用 7

一句话总结

本研究通过将凝聚态与激子库空间分离，显著提升了光学捕获极化激元凝聚态的时间相干性，实现了超过1纳秒的相干时间——较单个粒子寿命延长近三个数量级。通过消除库引起的退相干并采用主动密度稳定技术，作者发现阈值以上仍存在超泊松粒子数涨落，并测得与理论预测一致的极化激元相互作用强度。

ABSTRACT

Coherent bosonic ensembles offer the promise of harnessing quantum effects in photonic and quantum circuits. In the dynamic equilibrium regime, the application of polariton condensates is hindered by exciton-polariton scattering induced de-coherence in the presence of a dark exciton reservoir. By spatially separating the condensate from the reservoir, we drive the system into the weak interaction regime, where the ensemble coherence time exceeds the individual particle lifetime by nearly three orders of magnitude. The observed nanosecond coherence provides an upper limit for polariton self-interactions. In contrast to conventional photon lasers, we observe an increased contribution from the super-Poissonian component of the condensate to the overall particle number fluctuations. Coupled with the recent emergence of a quantum regime in polaritonics, coherence times extended to several nanoseconds favour the realization of quantum information protocols.

研究动机与目标

• 为克服强激子-极化激元散射引起的动态平衡极化激元凝聚态中的退相干问题。
• 研究将凝聚态与激子库空间分离对相干时间及粒子数涨落的影响。
• 在受控密度与相干条件下测量有效极化激元-极化激元及激子-激子相互作用强度。
• 通过量化弱相互作用区域的相干时间，确定极化激元自相互作用的上限。
• 探讨持续存在的超泊松噪声对极化激元系统中量子相干性与控制的影响。

提出的方法

• 采用基于GaAs的微腔结构，其中包含6K温度下的InGaAs量子阱以承载极化激元。
• 使用线宽约为100 kHz的单模、主动稳定连续波激光器进行非共振激发。
• 利用空间光调制器将激发光形貌化为平顶或环形光斑，以产生用于光学捕获的抛物势阱。
• 采用包含15 cm双程延迟装置的迈克尔逊干涉仪，测量一阶相干函数 $g^{(1)}(x,\tau_i)$。
• 通过无扫描可变延迟干涉测量技术，提取长达5 μs积分时间的相干时间。
• 实施主动密度稳定技术，以控制凝聚态粒子数并使其与库效应解耦。

实验结果

研究问题

• RQ1 当库引起的退相干被最小化时，极化激元凝聚态的最大可实现时间相干时间是多少？
• RQ2 粒子数涨落（尤其是超泊松分量）在阈值以上如何影响极化激元凝聚态的相干性？
• RQ3 在抑制库耦合的条件下，有效极化激元-极化激元与激子-激子相互作用强度是多少？
• RQ4 当消除与库的相互作用时，相干时间如何随凝聚态密度与尺寸变化？
• RQ5 在弱相互作用区域，所观测到的相干时间超出谢瓦罗夫-托恩斯极限与粒子寿命的程度如何？

主要发现

• 光学捕获极化激元凝聚态的时间相干时间超过1纳秒，较单个粒子寿命提升近三个数量级。
• 与重叠于激子库的凝聚态相比，相干时间提高了近100倍，证实了库引起的退相干起主导作用。
• 尽管阈值以上粒子数涨落减小，但持续存在的超泊松噪声分量仍导致退相干，与传统激光行为相悖。
• 测得的极化激元-极化激元相互作用强度 $U_{pp}$ 与理论估算及先前实验报告一致，验证了测量方法的有效性。
• 随着密度增加，相互作用强度 $U_{pp}$ 下降，与偶极矩饱和及莫特转变效应一致。
• 该系统实现了适合观测布洛赫振荡等相干量子现象的相干时间区间，并为动态平衡下实现稳健的相干控制提供了可能。