- Editors' Suggestion
- Open Access
Occupancy-driven Zeeman suppression and inversion in trapped polariton condensates
Phys. Rev. B 109, 125307 – Published 26 March, 2024
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.125307
Abstract
We study the magnetophotoluminescence of an optically trapped exciton-polariton condensate in a planar semiconductor microcavity with multiple quantum wells. Extremely high condensate coherence time and continuous control over the polariton confinement are among the advantages provided by optical trapping. This allows us to resolve magnetically induced fine-energy shifts in the condensate and identify unusual dynamical regions in its parameter space. We observe polariton Zeeman splitting and, in small traps with tight confinement, demonstrate its full parametric screening when the condensate density exceeds a critical value, reminiscent of the spin-Meissner effect. For larger optical traps, we observe a complete inversion in the Zeeman splitting as a function of power, underlining the importance of condensate confinement and interactions with its background reservoir excitons.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (55)
- T. Liew, I. Shelykh, and G. Malpuech, Physica E (Amsterdam, Neth.) 43, 1543 (2011).
- D. D. Solnyshkov, G. Malpuech, P. St-Jean, S. Ravets, J. Bloch, and A. Amo, Opt. Mater. Express 11, 1119 (2021).
- D. Sanvitto and S. Kéna-Cohen, Nat. Mater. 15, 1061 (2016).
- H. Yang and N. Y. Kim, Adv. Quantum Technol. 5, 2100137 (2022).
- I. Carusotto and C. Ciuti, Rev. Mod. Phys. 85, 299 (2013).
- J. Kasprzak et al., Nature (London) 443, 409 (2006).
- C. Schneider et al., Nature (London) 497, 348 (2013).
- P. Bhattacharya, T. Frost, S. Deshpande, M. Z. Baten, A. Hazari, and A. Das, Phys. Rev. Lett. 112, 236802 (2014).
- Y. G. Rubo, A. Kavokin, and I. Shelykh, Phys. Lett. A 358, 227 (2006).
- T. C. H. Liew, Y. G. Rubo, I. A. Shelykh, and A. V. Kavokin, Phys. Rev. B 77, 125339 (2008).
- A. V. Larionov, V. D. Kulakovskii, S. Höfling, C. Schneider, L. Worschech, and A. Forchel, Phys. Rev. Lett. 105, 256401 (2010).
- P. Walker, T. C. H. Liew, D. Sarkar, M. Durska, A. P. D. Love, M. S. Skolnick, J. S. Roberts, I. A. Shelykh, A. V. Kavokin, and D. N. Krizhanovskii, Phys. Rev. Lett. 106, 257401 (2011).
- A. Rahimi-Iman, C. Schneider, J. Fischer, S. Holzinger, M. Amthor, S. Höfling, S. Reitzenstein, L. Worschech, M. Kamp, and A. Forchel, Phys. Rev. B 84, 165325 (2011).
- V. D. Kulakovskii, A. S. Brichkin, S. V. Novikov, C. Schneider, S. Höfling, M. Kamp, A. Forchel, and N. A. Gippius, Phys. Rev. B 85, 155322 (2012).
- B. Piętka, D. Zygmunt, M. Król, M. R. Molas, A. A. L. Nicolet, F. Morier-Genoud, J. Szczytko, J. Łusakowski, P. Zięba, I. Tralle, P. Stępnicki, M. Matuszewski, M. Potemski, and B. Deveaud, Phys. Rev. B 91, 075309 (2015).
- C. Sturm, D. Solnyshkov, O. Krebs, A. Lemaître, I. Sagnes, E. Galopin, A. Amo, G. Malpuech, and J. Bloch, Phys. Rev. B 91, 155130 (2015).
- M. Król, R. Mirek, K. Lekenta, J.-G. Rousset, D. Stephan, M. Nawrocki, M. Matuszewski, J. Szczytko, W. Pacuski, and B. Piętka, Sci. Rep. 8, 6694 (2018).
- M. Król, R. Mirek, D. Stephan, K. Lekenta, J.-G. Rousset, W. Pacuski, A. V. Kavokin, M. Matuszewski, J. Szczytko, and B. Piętka, Phys. Rev. B 99, 115318 (2019).
- C. E. Whittaker, D. R. Gulevich, D. Biegańska, B. Royall, E. Clarke, M. S. Skolnick, I. A. Shelykh, and D. N. Krizhanovskii, Phys. Rev. A 104, 063505 (2021).
- R. Mirek, M. Furman, M. Król, B. Seredyński, K. Łempicka-Mirek, K. Tyszka, W. Pacuski, M. Matuszewski, J. Szczytko, and B. Piętka, Phys. Rev. B 107, 125303 (2023).
- D. N. Krizhanovskii, D. Sanvitto, I. A. Shelykh, M. M. Glazov, G. Malpuech, D. D. Solnyshkov, A. Kavokin, S. Ceccarelli, M. S. Skolnick, and J. S. Roberts, Phys. Rev. B 73, 073303 (2006).
- A. Askitopoulos, K. Kalinin, T. C. H. Liew, P. Cilibrizzi, Z. Hatzopoulos, P. G. Savvidis, N. G. Berloff, and P. G. Lagoudakis, Phys. Rev. B 93, 205307 (2016).
- Y. del Valle-Inclan Redondo, H. Sigurdsson, H. Ohadi, I. A. Shelykh, Y. G. Rubo, Z. Hatzopoulos, P. G. Savvidis, and J. J. Baumberg, Phys. Rev. B 99, 165311 (2019).
- I. Gnusov, H. Sigurdsson, S. Baryshev, T. Ermatov, A. Askitopoulos, and P. G. Lagoudakis, Phys. Rev. B 102, 125419 (2020).
- B. Real, N. Carlon Zambon, P. St-Jean, I. Sagnes, A. Lemaître, L. Le Gratiet, A. Harouri, S. Ravets, J. Bloch, and A. Amo, Phys. Rev. Res. 3, 043161 (2021).
- S. Baryshev, A. Zasedatelev, H. Sigurdsson, I. Gnusov, J. D. Töpfer, A. Askitopoulos, and P. G. Lagoudakis, Phys. Rev. Lett. 128, 087402 (2022).
- H. Sigurdsson, I. Gnusov, S. Alyatkin, L. Pickup, N. A. Gippius, P. G. Lagoudakis, and A. Askitopoulos, Phys. Rev. Lett. 129, 155301 (2022).
- D. Dovzhenko, D. Aristov, L. Pickup, H. Sigurðsson, and P. Lagoudakis, Phys. Rev. B 108, L161301 (2023).
- M. Ściesiek, K. Sawicki, W. Pacuski, K. Sobczak, T. Kazimierczuk, A. Golnik, and J. Suffczyński, Commun. Mater. 1, 78 (2020).
- A. Askitopoulos, H. Ohadi, A. V. Kavokin, Z. Hatzopoulos, P. G. Savvidis, and P. G. Lagoudakis, Phys. Rev. B 88, 041308(R) (2013).
- P. Cristofolini, A. Dreismann, G. Christmann, G. Franchetti, N. G. Berloff, P. Tsotsis, Z. Hatzopoulos, P. G. Savvidis, and J. J. Baumberg, Phys. Rev. Lett. 110, 186403 (2013).
- H. Ohadi, A. Dreismann, Y. G. Rubo, F. Pinsker, Y. del Valle-Inclan Redondo, S. I. Tsintzos, Z. Hatzopoulos, P. G. Savvidis, and J. J. Baumberg, Phys. Rev. X 5, 031002 (2015).
- Y. C. Balas, E. S. Sedov, G. G. Paschos, Z. Hatzopoulos, H. Ohadi, A. V. Kavokin, and P. G. Savvidis, Phys. Rev. Lett. 128, 117401 (2022).
- I. Gnusov, S. Baryshev, H. Sigurðsson, K. Sitnik, J. Töpfer, S. Alyatkin, and P. G. Lagoudakis, arXiv:2305.03782.
- P. Cilibrizzi, A. Askitopoulos, M. Silva, F. Bastiman, E. Clarke, J. M. Zajac, W. Langbein, and P. G. Lagoudakis, Appl. Phys. Lett. 105, 191118 (2014).
- I. Manek, Y. Ovchinnikov, and R. Grimm, Opt. Commun. 147, 67 (1998).
- M. Z. Maialle, E. A. de A. e Silva, and L. J. Sham, Phys. Rev. B 47, 15776 (1993).
- M. J. Snelling, E. Blackwood, C. J. McDonagh, R. T. Harley, and C. T. B. Foxon, Phys. Rev. B 45, 3922 (1992).
- N. J. Traynor, R. T. Harley, and R. J. Warburton, Phys. Rev. B 51, 7361 (1995).
- M. Sugawara, Phys. Rev. B 45, 11423 (1992).
- J. Fischer et al., Phys. Rev. Lett. 112, 093902 (2014).
- J.-G. Rousset, B. Piętka, M. Król, R. Mirek, K. Lekenta, J. Szczytko, W. Pacuski, and M. Nawrocki, Phys. Rev. B 96, 125403 (2017).
- P. S. Grigoryev, O. A. Yugov, S. A. Eliseev, Y. P. Efimov, V. A. Lovtcius, V. V. Petrov, V. F. Sapega, and I. V. Ignatiev, Phys. Rev. B 93, 205425 (2016).
- J. Hammersberg, M. Notomi, H. Weman, M. Potemski, T. Tamamura, M. Okamoto, and H. Sugiura, Jpn. J. Appl. Phys. 36, 1933 (1997).
- T. A. Fisher, A. M. Afshar, M. S. Skolnick, D. M. Whittaker, and J. S. Roberts, Phys. Rev. B 53, R10469 (1996).
- J. D. Berger, O. Lyngnes, H. M. Gibbs, G. Khitrova, T. R. Nelson, E. K. Lindmark, A. V. Kavokin, M. A. Kaliteevski, and V. V. Zapasskii, Phys. Rev. B 54, 1975 (1996).
- P. Stȩpnicki, B. Piȩtka, F. Morier-Genoud, B. Deveaud, and M. Matuszewski, Phys. Rev. B 91, 195302 (2015).
- C. Ciuti, V. Savona, C. Piermarocchi, A. Quattropani, and P. Schwendimann, Phys. Rev. B 58, 7926 (1998).
- D. Biegańska, M. Pieczarka, E. Estrecho, M. Steger, D. W. Snoke, K. West, L. N. Pfeiffer, M. Syperek, A. G. Truscott, and E. A. Ostrovskaya, Phys. Rev. Lett. 127, 185301 (2021).
- L. Pickup, J. D. Töpfer, H. Sigurdsson, and P. G. Lagoudakis, Phys. Rev. B 103, 155302 (2021).
- S. A. Crooker, D. D. Awschalom, J. J. Baumberg, F. Flack, and N. Samarth, Phys. Rev. B 56, 7574 (1997).
- M. D. Martín, G. Aichmayr, L. Viña, and R. André, Phys. Rev. Lett. 89, 077402 (2002).
- D. Read, T. C. H. Liew, Y. G. Rubo, and A. V. Kavokin, Phys. Rev. B 80, 195309 (2009).
- S. L. Harrison, H. Sigurdsson, and P. G. Lagoudakis, Phys. Rev. B 101, 155402 (2020).
- I. Gnusov, H. Sigurdsson, J. D. Töpfer, S. Baryshev, S. Alyatkin, and P. G. Lagoudakis, Phys. Rev. Appl. 16, 034014 (2021).