[论文解读] Vortex and half-vortex stability in coherently driven spinor polariton fluid

Lorenzo Dominici, Jm M. Fellows+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2014

Strong Light-Matter Interactions被引用 1

一句话总结

本研究利用超快全息术，研究了相干驱动的自旋极化子流体中半涡旋和全涡旋的稳定性与动力学行为。通过共振脉冲光激发系统，作者观察到丰富的拓扑动力学行为，包括螺旋运动、分裂以及涡旋-反涡旋对的增殖，揭示了非线性和无序共同主导相位奇点的演化过程，表明半涡旋作为非平衡量子流体中稳定且基本的激发态存在。

ABSTRACT

Spinorial or multi-component Bose-Einstein condensates may sustain fractional quanta of circulation, vorticant topological excitations with half integer windings of phase and polarization. Matter-light quantum fluids, such as microcavity polaritons, represent a unique test bed for realising strongly interacting and out-of-equilibrium condensates. The direct access to the phase of their wavefunction enables us to pursue the quest of whether half vortices ---rather than full integer vortices--- are the fundamental topological excitations of a spinor polariton fluid. Here, we are able to directly generate by resonant pulsed excitations, a polariton fluid carrying either the half or full vortex states as initial condition, and to follow their coherent evolution using ultrafast holography. Surprisingly we observe a rich phenomenology that shows a stable evolution of a phase singularity in a single component as well as in the full vortex state, spiraling, splitting and branching of the initial cores under different regimes and the proliferation of many vortex anti-vortex pairs in self generated circular ripples. This allows us to devise the interplay of nonlinearity and sample disorder in shaping the fluid and driving the phase singularities dynamics

研究动机与目标

• 确定半涡旋是否为自旋极化子流体中稳定且基本的拓扑激发态。
• 探讨非线性和样品无序在塑造相位奇点动力学中的作用。
• 在受驱动的非平衡量子流体中，实验生成并追踪半涡旋与全涡旋态的相干演化过程。
• 理解涡旋-反涡旋对增殖现象如何在流体内部自生的环形涟漪中出现。

提出的方法

• 采用共振脉冲激发，在微腔极化子流体中制备具有半涡旋或全涡旋特征的初始态。
• 超快全息术实现了对波函数相位与振幅演化的实时、空间分辨成像。
• 系统处于相干驱动状态，维持非平衡、强关联的量子流体态。
• 通过长时间追踪相位奇点，分析其稳定性、分裂与运动行为。
• 通过改变激发条件与样品特性，分析非线性与无序之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相干驱动的自旋极化子流体中，半涡旋是否稳定？
• RQ2 非线性和无序如何共同影响相位奇点的动力学？
• RQ3 在该量子流体中，半涡旋与全涡旋态具有怎样的不同演化路径？
• RQ4 涡旋-反涡旋对的增殖是否可与流体内部自生的环形涟漪相联系？

主要发现

• 半涡旋在单组分及全涡旋态中均表现出稳定的演化行为，表明其可能作为基本的拓扑激发态存在。
• 在不同的激发与无序条件下，相位奇点经历螺旋运动、分裂与分叉，揭示了复杂动力学路径。
• 在自生的环形涟漪中观察到涡旋-反涡旋对的增殖，表明流体不稳定性与拓扑缺陷形成之间存在关联。
• 相位奇点的动力学强烈受非线性与样品无序之间相互作用的调控，而非由单一主导机制决定。