[论文解读] Polarization of a Bose-Einstein Condensate of Photons in a Dye-Filled Microcavity

S. Greveling, Fons van der Laan+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Strong Light-Matter Interactions参考文献 2被引用 5

一句话总结

本研究通过单次曝光斯托克斯参数成像，实验研究了染料填充微腔中光子玻色-爱因斯坦凝聚态（phBEC）的偏振对称性破缺。结果表明，phBEC的偏振完全由泵浦脉冲的偏振决定，表明为诱导性对称性破缺而非自发性对称性破缺；而热光子云的偏振则受隐藏各向异性约束，其偏振在不同实验参数下保持不变。

ABSTRACT

We measure the polarization of a photon gas in a dye-filled microcavity. The polarization is obtained by a single-shot measurement of the Stokes parameters. We find that the polarization of both the thermal cloud and the Bose-Einstein condensate of photons (phBEC) does not differ from shot to shot. In the case of the phBEC, we find that the polarization correlates with the polarization of the pump pulse. The polarization of the thermal cloud is independent of parameters varied in the experiment and is governed by a hidden anisotropy in the system.

研究动机与目标

• 研究光子玻色-爱因斯坦凝聚态（phBEC）中的偏振对称性破缺是自发发生还是由外部诱导所致。
• 确定phBEC与热光子云的偏振是否依赖于染料浓度、溶剂及泵浦偏振等实验参数。
• 通过实验验证染料填充微腔中偏振动力学的理论预测，特别是涉及角扩散与偏振耦合的理论。
• 利用单次曝光斯托克斯参数成像测量并比较phBEC与热光子云的偏振度。

提出的方法

• 采用定制偏振测量装置，利用16位sCMOS相机捕获对应于总强度及三种正交偏振态（0°、45°和右旋圆偏振，RHC）的四张强度图像。
• 根据标准定义，从测得的强度计算斯托克斯参数：S₀ = I_tot，S₁ = I₀° - I₉₀°，S₂ = I₄₅° - I₋₄₅°，S₃ = I_LHC - I_RHC。
• 总偏振度计算为 p = √(S₁² + S₂² + S₃²) / S₀，提供偏振纯度的定量度量。
• 通过相机矢量模型对系统进行标定，以补偿仪器引起的偏振效应，确保斯托克斯矢量重建的准确性。
• 对50个相同的phBEC进行斯托克斯参数的径向平均，以提高信噪比并提取偏振分布。
• 通过改变染料浓度、溶剂（乙二醇与甲醇）及泵浦偏振（水平与垂直）进行实验，以探究参数依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子玻色-爱因斯坦凝聚态（phBEC）的偏振是否依赖于泵浦脉冲的偏振，从而表明为诱导性对称性破缺？
• RQ2 热光子云的偏振是否对染料浓度、溶剂或泵浦偏振的变化敏感，还是受系统中隐藏各向异性支配？
• RQ3 随着凝聚态分数的增加，光子气体中心（主要由phBEC主导）的偏振度如何演化？
• RQ4 在多次实验脉冲中，phBEC的偏振与泵浦偏振的相关性如何？
• RQ5 热光子云中持续存在的线性偏振的起源是什么，为何其与变化的实验参数无关？

主要发现

• phBEC的偏振度完全由泵浦脉冲的偏振决定，当使用垂直偏振泵浦时，测得的偏振度为 0.63 ± 0.21，表明为诱导性对称性破缺。
• 在所有测量条件下，包括染料浓度和溶剂的变化，热光子云的偏振度保持恒定在 p ≈ 0.16 ± 0.12，表明其受系统中隐藏各向异性约束。
• 当泵浦偏振从水平切换为垂直时，phBEC的偏振方向从水平反转为垂直，证实了可通过泵浦实现直接控制。
• 改变染料浓度或溶剂（从乙二醇变为甲醇）对phBEC或热光子云的偏振无显著影响。
• 斯托克斯参数的径向平均显示，S₂主导了热光子云的偏振（与-45°对齐），而当泵浦为垂直时，S₁主导了phBEC的偏振，证实了phBEC偏振与泵浦的关联性。
• 光子气体中心的偏振度随凝聚态分数的增加而提高，与phBEC完全极化且对总信号贡献增加的结论一致。