[论文解读] Observation of macroscopic coherence in self-organized dipolar excitons

Mathieu Alloing, D. Fuster+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2012

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 5

一句话总结

本研究在宽单量子阱中通过自组织偶极子激子实现了宏观空间相干性，其中间接激子形成环状结构，并在亚开尔文温度下分裂为微观小珠。干涉测量结果表明，相干性在环外延伸约1.3 μm，而在小珠处被限制在≤200 nm以内，表明其超越热物质波长的自发长程有序性。

ABSTRACT

We report experiments showing that spatially indirect excitons confined in a wide single quantum well can exhibit macroscopic spatial coherence. Extended coherence is spontaneously established in the regime where indirect excitons form a distinctive ring shaped pattern fragmented into microscopic beads. These contain a large concentration of indirect excitons at sub-Kelvin temperatures, the excitons spatial coherence being the greatest in the vicinity of the fragments.

研究动机与目标

• 研究在宽单量子阱中受限的空间间接激子中宏观量子相干性的出现机制。
• 确定在环状结构及其分裂为微观小珠的条件下，相干性是否形成。
• 利用干涉技术在低温浴温下测量间接激子的空间相干长度。
• 将测得的相干长度与热物质波长进行比较，并评估多体效应的作用。

提出的方法

• 使用波长为640 nm、脉宽500 ns的激光脉冲在1 μm厚的GaAs量子阱（Al0.3Ga0.7As势垒）中光学注入电子-空穴对。
• 施加−4.17 V的栅压以诱导电子与空穴的空间分离，形成空间间接激子。
• 在0.34 K至7 K的浴温下测量光致发光发射，以观察环的形成与分裂。
• 采用Hanbury Brown–Twiss干涉仪测量一阶相干函数|g(1)|，空间分辨率达~1.5 μm。
• 将测得的|g(1)|数据拟合为高斯仪器响应与指数衰减的卷积，以提取相干长度ξ。
• 理论比较观测到的相干长度与热物质波长ΛdB = h / √(2πmkBT)，采用有效激子质量m ≈ 0.2m₀。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无双异质结构的情况下，空间间接激子在宽单量子阱中能否出现宏观空间相干性？
• RQ2 环状激子结构分裂为微观小珠是否与长程空间相干性的出现相关？
• RQ3 与环的外侧区域相比，小珠状碎片附近的相干性空间范围如何？
• RQ4 在亚开尔文温度下，测得的相干长度与热物质波长相比如何？
• RQ5 观测到的相干性是多体效应的结果，还是仅由仪器分辨率造成？

主要发现

• 在340 mK时，环外空间相干长度达到ξ ≈ 1.3 μm，显著超过约160 nm的热物质波长。
• 在环的碎片处，相干长度受仪器分辨率限制，ξ ≤ 200 nm，表明强局域化。
• 相干长度在低于4 K时突然增加，与环结构分裂的起始时间一致，表明发生向相干态的相变。
• 干涉可见度|g(1)|从Tb ≥ 4 K时的~12%增至Tb ≤ 4 K时的~22%，表明长程相干性的出现。
• 观测到的相干长度（1.3 μm）远超热物质波长（340 mK时为160 nm），证实其超越非相互作用粒子行为的宏观相干性。
• 在7 K时，相干长度被限制在≤200 nm，与热物质波长一致，表明在较高温度下无长程序。