研究人员证明半导体微腔中量子涡旋的自发同步

来自斯科尔科沃科技学院、瓦伦西亚理工大学、俄罗斯科学院光谱研究所、华沙大学和冰岛大学的研究人员展示了光激发半导体微腔中多个量子涡旋的自发形成和同步。

他们证明，在光生晶格的相邻单元中形成的极化子量子涡旋倾向于具有相反的拓扑涡旋电荷，即涡旋是“反铁磁耦合的”。

由耦合的极化子涡旋组成的光学结构人工晶格通过用极化子凝聚体的轨道角动量取代自旋角动量，为研究和模拟凝聚态物质系统提供了一个有前途的新平台。

人们长期以来一直利用各种光学激发技术研究激子-极化子系统中量子涡旋的动力学。然而，迄今为止，尚未在这种驱动耗散系统中展示锁相量子涡旋的扩展二维晶格。

在这项工作中，作者通过光学手段成功创建了一个三角晶格，其中有22个单元，这些单元中含有捕获的极化子凝聚体，每个单元都携带一个单电荷涡旋。

所有实验均在斯科尔科沃理工学院光子学中心的混合光子学实验室进行，由该研究所光子学副总裁PavlosLagoudakis教授领导。

在实验中，研究人员使用了半导体平面微腔——两个高反射镜组成谐振器，InGaAs量子阱夹在中间。在某些条件下(所谓的强光物质耦合模式)，会形成称为激子极化子或微腔极化子的准粒子——量子阱中的激子和受限腔内光子的耦合态。

“我们利用空间光调制技术，用图案化激光束对半导体微腔样品进行光学激发，这项技术是我们最近与南安普顿大学的同事共同掌握的。这项技术使我们能够将激光束整形为紧密聚焦的高斯光束阵列，排列成六边形晶格，”Skoltech助理教授SergeyAlyatkin说道，他是该论文的第一作者。

“然后我们改变了晶格参数，发现当晶格常数很小，高于某个临界激发功率时，极化子会在晶格胞内凝聚。首先，我们通过实验检查了单个胞内发生的情况。被捕获的凝聚态占据涡旋状态的概率几乎相等，包括涡旋(拓扑电荷为+1)和反涡旋(拓扑电荷为-1)。

“然而，在一对相邻的细胞中，涡旋相互作用并形成稳定的溶液，每个细胞中的拓扑电荷相反，总是形成涡旋-反涡旋或反涡旋-涡旋对。接下来，我们研究了三角形三细胞结构中凝聚体的物理特性，接下来研究了更大的三角形涡旋晶格。对我来说，最困难的部分是对大量实验数据集进行统计分析以支持我们的主张。”

华沙大学理论家HelgiSigurðsson博士补充道：“此时，我们怀疑涡旋不仅在小型受挫簇中同步，而且在实施的三角晶格中显示出扩展的反铁磁序的特征。”

“为了验证这一点，我们测量了晶格中多个单独和独立的实现中所有晶格​​单元中每个凝聚体的涡旋电荷(轨道角动量)，并检查了与著名的伊辛自旋哈密顿量的低能配置的相关性。

“我们发现，涡旋晶格稳定解中观测到的轨道角动量与反铁磁耦合伊辛自旋的低能解有显著相关性。我们的研究结果强调，通过将一个系统的复杂动力学投射到另一个系统上，我们可以发现奇特的相似之处。”