[论文解读] Natural exceptional points in the excitation spectrum of a light-matter system

Andrzej Opala, Magdalena Furman+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

该论文通过光学调控光-物质耦合强度和动量，无需人工设计的增益、损耗或额外自由度（如偏振或空间模式），首次在激子-极化子系统中实验验证了自然存在的异常点。作者利用强相干激光泵浦在参数空间中环绕异常点，独立于玻色-爱因斯坦凝聚阈值与光子激光阈值，证实了其存在，为研究极化子系统中的非厄米量子现象铺平了道路。

ABSTRACT

We observe natural exceptional points in the excitation spectrum of an exciton-polariton system by optically tuning the light-matter interactions. The observed exceptional points do not require any spatial or polarization degrees of freedom and result solely from the transition from weak to strong light-matter coupling. We demonstrate that they do not coincide with the threshold for photon lasing, confirming previous theoretical predictions [Phys. Rev. Lett. 122, 185301 (2019), Optica 7, 1015 (2020) ]. Using a technique where a strong coherent laser pump induces up-converted excitations, we encircle the exceptional point in the parameter space of coupling strength and particle momentum. Our method of local optical control of light-matter coupling paves the way to investigation of fundamental phenomena including dissipative phase transitions and non-Hermitian topological states.

研究动机与目标

• 通过实验确认激子-极化子系统中自然异常点的存在，其仅源于弱耦合与强耦合之间的转变。
• 将这些异常点与玻色-爱因斯坦凝聚阈值和光子激光阈值区分开来，以解决以往实验中常出现的混淆。
• 开发并应用一种光学控制技术，利用强相干泵浦诱导上转换激发，实现在参数空间中绝热环绕异常点。
• 证明该系统中的异常点是光-物质模式非厄米动力学的本征特性，无需外部引入增益或损耗。
• 通过局部光学调控耦合强度，为研究极化子系统中的非厄米拓扑态与耗散相变开辟新路径。

提出的方法

• 采用基于CdTe的微腔来承载激子-极化子，利用其内在的光-物质耦合动力学实现自然异常点的观测。
• 利用强共振激光泵浦激发上转换激发，通过透射谱直接观测以探测激发谱。
• 调节泵浦功率和动量以调控有效光-物质耦合强度，从而进入异常点附近的参数空间不同区域。
• 应用基于非厄米哈密顿量矩阵（公式12）的理论框架，描述腔模与激子模的耦合动力学，包含耗散项。
• 将激子间相互作用强度降低至g_X ≈ 0，以隔离非厄米行为，并恢复简化矩阵（公式13），揭示本征能级与异常点结构。
• 利用泵浦产生的非相干激发库，实现超过一个数量级的耦合强度调制，从而在无需外部调谐元件的情况下实现动态控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在激子-极化子系统中，是否可以在不依赖人工设计的增益、损耗或额外自由度（如空间、偏振）的情况下，观测到自然异常点？
• RQ2 仅通过调节泵浦功率和动量的光学控制，如何在参数空间中实验实现异常点的访问与环绕？
• RQ3 在该系统中，异常点是否与玻色-爱因斯坦凝聚阈值和光子激光阈值相区别？
• RQ4 所观测到的激发是否继承了极化子能带结构的特性，包括本征值与本征态汇聚等非厄米特征？
• RQ5 局部光学调控光-物质耦合是否能够实现对极化子系统中非厄米拓扑态与耗散相变的研究？

主要发现

• 在激子-极化子系统中首次实验观测到自然异常点，且无需引入任何空间、偏振或人工增益/损耗自由度。
• 通过调节泵浦功率和粒子动量，成功在参数空间中环绕异常点，证实其非绝热本征态交换行为。
• 异常点被证明与玻色-爱因斯坦凝聚阈值和光子激光阈值均不同，解决了以往对极化子系统中“第二阈值”的解释模糊问题。
• 强相干泵浦诱导的上转换激发使系统能够直接访问激发谱，避免系统跃迁，从而实现对非厄米动力学的连续追踪。
• 在激子-激子相互作用极弱的极限下，激发谱继承了极化子能带的非厄米特性，包括在异常点处本征值与本征态的汇聚。
• 泵浦产生的非相干激发库使光-物质耦合强度实现超过一个数量级的光学调制，从而实现对系统非厄米特性的动态控制。