[论文解读] Room temperature one-dimensional polariton condensate in a ZnO microwire

Liaoxin Sun, Shulin Sun+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2010

Strong Light-Matter Interactions参考文献 16被引用 10

一句话总结

本研究首次通过非共振光激发在室温下实现了ZnO微米线中一维（1D）极化子凝聚态的实验实现。利用角度分辨光谱技术，研究人员在泵浦阈值低一个数量级于莫特转变阈值的条件下，观察到极化子基态的宏观占据，且远场发射图案清晰，证实了该一维系统中存在长程相干性。

ABSTRACT

A cavity-polariton, formed due to the strong coupling between exciton and cavity mode, is one of the most promising composite bosons for realizing macroscopic spontaneous coherence at high temperature. Up to date, most of polariton quantum degeneracy experiments were conducted in the complicated two-dimensional (2D) planar microcavities. The role of dimensionality in coherent quantum degeneracy of a composite bosonic system of exciton polaritons remains mysterious. Here we report the first experimental observation of a one-dimensional (1D) polariton condensate in a ZnO microwire at room temperature. The massive occupation of the polariton ground state above a distinct pump power threshold is clearly demonstrated by using the angular resolved spectroscopy under non-resonant excitation. The power threshold is one order of magnitude lower than that of Mott transition. Furthermore, a well-defined far field emission pattern from the polariton condensate mode is observed, manifesting the coherence build-up in the condensed polariton system.

研究动机与目标

• 研究维度效应对复合费米子激发-极化子宏观量子相干性的影响。
• 在室温下实现一维（1D）系统中的极化子凝聚。
• 克服二维平面微腔在研究低维极化子系统中量子简并性方面的局限性。
• 建立一种简单、稳健的平台，用于实现高温下的极化子凝聚，采用ZnO微米线。

提出的方法

• 采用非共振光激发在ZnO微米线中产生激子，其与腔模强耦合形成极化子。
• 利用角度分辨光致发光光谱探测发射光的能量与动量分布，识别凝聚态。
• 在室温下运行系统，以评估凝聚态的热稳定性。
• 分析发射强度与光谱特征随泵浦功率的变化，以确定宏观占据的阈值。
• 测量远场发射图案，以确认凝聚模的相干性。
• 将观测到的阈值与莫特转变阈值进行比较，以评估凝聚效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在ZnO微米线中实现室温下的一维极化子凝聚态？
• RQ2 在一维系统中，极化子基态宏观占据所需的泵浦功率阈值是多少？
• RQ3 凝聚态的相干性在远场发射图案中如何体现？
• RQ4 与二维系统相比，一维限制如何影响极化子凝聚的稳定性和效率？
• RQ5 在激发阈值方面，所观测到的凝聚是否与莫特转变有本质区别？

主要发现

• 在泵浦功率高于某一阈值时，观察到极化子基态发生宏观占据的清晰阈值，表明凝聚的开始。
• 凝聚的阈值功率比莫特转变阈值低一个数量级，表明在低激发条件下具有高效的凝聚。
• 观察到清晰定义的远场发射图案，证实形成了具有长程相位相干性的相干极化子凝聚态。
• 该凝聚态在室温下稳定且可观测，证明了一维极化子系统可在高温下运行。
• 角度分辨光谱在基态动量处显示出尖锐峰，证实了凝聚态的局域化与相干性。
• 结果证实，维度效应对极化子凝聚的稳定性和效率具有显著影响，一维系统在高温运行方面表现出有利特性。