論文の概要: Microscopic theory of nonlinear phase space filling in polaritonic lattices

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2212.07968v1
• Date: Thu, 15 Dec 2022 17:02:33 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-09 16:18:58.121599
• Title: Microscopic theory of nonlinear phase space filling in polaritonic lattices
• Title（参考訳）: 分極格子における非線形位相空間充填の微視的理論
• Authors: Kok Wee Song, Salvatore Chiavazzo, and Oleksandr Kyriienko
• Abstract要約: 強結合二次元分極格子における非線形位相空間充填(NPSF)の顕微鏡理論を開発した。 我々は、NPSFが光学応答を決定的に修飾する体制の幅広い範囲を、既存の理論的記述を超えて発見する。 遷移金属ジアルコゲナイドのヘテロ二層膜における強非線形性の最近の観察について述べるのに役立てることができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 19.444636864515726
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We develop a microscopic theory for a nonlinear phase space filling (NPSF) in strongly coupled two-dimensional polaritonic lattices. Ubiquitous in polaritonic experiments, the theoretical description of NPSF, remains limited to perturbative treatment and homogeneous samples. In this study, we go beyond the existing theoretical description and discover the broad scope of regimes where NPSF crucially modifies the optical response. Studying the effects of non-bosonicity, cooperative light-matter coupling, and Coulomb blockade, we reveal several regimes for observing the nonlinear Rabi splitting quench due to the phase space filling. Unlike prior studies, we derive nonlinear Rabi frequency scaling all the way to the saturation limit and show that the presence of a lattice potential leads to qualitatively distinct nonlinearity. We concentrate on three regimes of NPSF: 1) planar; 2) fractured; and 3) ultralocalized. In planar saturation, the Rabi frequency decreases exponentially as a function of exciton density. For the fractured case, where excitons form a lattice with sites exceeding the exciton size, we discover fast NPSF at low occupation in the lattice. This is followed by slower NPSF as the medium becomes fully saturated. This behavior is particularly pronounced in the presence of Coulomb (or Rydberg) blockade, where regions of fast and slow NPSF depend on the strength of repulsion. For the ultralocalized NPSF, we observe the square-root saturation typical to the collection of two-level systems. Our findings can help describing recent observations of strong nonlinearity in heterobilayers of transition metal dichalcogenides where Moir{\'e} lattices emerge naturally [Nature \textbf{591}, 61 (2021)]. The theory also opens the prospects for engineering strongly nonlinear responses of polaritonic lattices with patterned samples, driving polaritonics into the quantum regime.
• Abstract（参考訳）: 強結合2次元ポーラリトニック格子における非線形位相空間充填(npsf)の微視的理論を開発した。 極性実験におけるユビキタスなNPSFの理論的な記述は、摂動的処理と均質なサンプルに限られている。 本研究では,NPSFが光学応答を決定的に修飾する体制の広範な範囲を,既存の理論的記述を超えて発見する。 非ボゾン性, 協調光物質結合, クーロン遮断の影響について検討し, 位相空間充填による非線形ラビ分裂クエンチの観察方法を明らかにした。 従来の研究とは異なり、飽和限界まで非線形ラビ周波数のスケーリングを導き、格子ポテンシャルの存在が質的に異なる非線形性をもたらすことを示す。 我々はNPSFの3つの体制に集中する。 1) 平面 2)骨折,及び 3)ウルトラローカライズ。 平面飽和では、ラビ周波数は励起子密度の関数として指数関数的に減少する。 破断された場合,エキシトンはエキシトンサイズを超える部位を持つ格子を形成し,低占有率の高速NPSFが発見された。 その後、培地が完全に飽和するにつれて、NPSFが遅くなる。 この挙動は特にクーロン(またはリュードベルク)封鎖の存在下で顕著であり、高速かつ遅いNPSFの領域は反発の強さに依存する。 超局所化NPSFでは、2段階系の集合に典型的な平方根飽和が観察される。 この結果は,Moir{\'e}格子が自然に出現する遷移金属ジアルコゲナイドのヘテロ二層構造における強非線形性の最近の観察 [Nature \textbf{591}, 61 (2021)] に寄与する。 この理論は、パターン化されたサンプルを持つ分極格子の強い非線形応答の工学的可能性も開き、分極格子を量子状態に誘導する。

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