Optical pumping of electronic quantum Hall states with vortex light

物理 光子 电子 方位量子数 角动量 总角动量 光的角动量 光的轨道角动量 角动量耦合 量子力学
作者
Deric Session,Mahmoud Jalali Mehrabad,Nikil Paithanker,Tobias Graß,Christian Eckhardt,Bin Cao,Daniel Gustavo Suárez Forero,Kevin Li,M. S. Alam,Glenn S. Solomon,Nathan Schine,Jay Sau,Roman Sordan,Mohammad Hafezi
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2306.03417
摘要

A fundamental requirement for quantum technologies is the ability to coherently control the interaction between electrons and photons. However, in many scenarios involving the interaction between light and matter, the exchange of linear or angular momentum between electrons and photons is not feasible, a condition known as the dipole-approximation limit. An example of a case beyond this limit that has remained experimentally elusive is when the interplay between chiral electrons and vortex light is considered, where the orbital angular momentum of light can be transferred to electrons. Here, we present a novel mechanism for such an orbital angular momentum transfer from optical vortex beams to electronic quantum Hall states. Specifically, we identify a robust contribution to the radial photocurrent, in an annular graphene sample within the quantum Hall regime, that depends on the vorticity of light. This phenomenon can be interpreted as an optical pumping scheme, where the angular momentum of photons is transferred to electrons, generating a radial current, and the current direction is determined by the vorticity of the light. Our findings offer fundamental insights into the optical probing and manipulation of quantum coherence, with wide-ranging implications for advancing quantum coherent optoelectronics.
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