[论文解读] Measurement of polariton-polariton interaction strength in the Thomas-Fermi regime of polariton condensation

Eliezer Estrecho, Tingge Gao+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 39被引用 1

一句话总结

本研究通过在光致盒势阱中约束高密度极化子，将其与非相干库区分离开，测量了激子-极化子凝聚的托马斯-费米区 regime 中的极化子-极化子相互作用强度。该方法将相互作用强度的不确定性降低至理论预测值的三倍以内，为研究非平衡系统中的相互作用驱动量子效应提供了清晰的平台。

ABSTRACT

Bosonic condensates of exciton polaritons (light-matter quasiparticles in a semiconductor) provide a solid-state platform for studies of non-equilibrium quantum systems with a spontaneous macroscopic coherence. These driven, dissipative condensates typically coexist and interact with an incoherent reservoir, which undermines measurements of key parameters of the condensate. Here, we overcome this limitation by creating a high-density exciton-polariton condensate in an optically-induced box trap. In this so-called Thomas-Fermi regime, the condensate is fully separated from the reservoir and its behaviour is dominated by interparticle interactions. We use this regime to directly measure the polariton-polariton interaction strength, and reduce the existing uncertainty in its value from four orders of magnitude to within three times the theoretical prediction. The Thomas-Fermi regime has previously been demonstrated only in ultracold atomic gases in thermal equilibrium. In a non-equilibrium exciton-polariton system, this regime offers a novel opportunity to study interaction-driven effects unmasked by an incoherent reservoir.

研究动机与目标

• 为解决在驱动、耗散凝聚态中测量极化子-极化子相互作用时库存引起的干扰问题。
• 通过将凝聚态与非相干库区分离开，实现相互作用主导的 regime。
• 以显著降低的实验不确定性，直接测量极化子-极化子相互作用强度。
• 在非平衡、固态极化子系统中实现托马斯-费米区，此前仅在超冷原子气体中观测到。
• 实现不受库存效应干扰的、清晰的相互作用驱动量子现象研究。

提出的方法

• 在光致盒势阱中创建高密度激子-极化子凝聚态，以空间约束凝聚态并将其与库区分离开。
• 在托马斯-费米区运行，其中凝聚态的密度分布主要由粒子间相互作用和外势决定。
• 使用空间分辨光谱法提取凝聚态密度分布，并通过密度分布的曲率推断相互作用强度。
• 应用托马斯-费米近似建模凝聚态波函数，并从测量的密度分布中提取相互作用参数。
• 将提取的相互作用强度与理论预测值进行比较，以评估不确定性的降低程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高密度、孤立的凝聚态中，极化子-极化子相互作用强度的精确值是多少？
• RQ2 通过消除库存贡献，实验中相互作用强度的不确定性可降低到何种程度？
• RQ3 能否在非平衡、驱动-耗散极化子系统中实验实现托马斯-费米区？
• RQ4 当库存被完全分离后，粒子间相互作用如何主导凝聚态的行为？

主要发现

• 极化子-极化子相互作用强度的不确定性已降低至理论预测值的三倍以内。
• 在非平衡、固态极化子系统中成功实现了托马斯-费米区，使相互作用主导的物理现象得以清晰观测。
• 凝聚态已完全与非相干库存分离，消除了其对测量相互作用强度的影响。
• 测量得到的相互作用强度在理论预测值的三倍范围内，与以往测量相比，不确定性降低了四个数量级，显著提升。
• 该方法为研究驱动-耗散系统中的相互作用驱动量子效应提供了稳健平台。