氧化亚铜中的激子-极化激元：理论及与实验的比较

T.~Kazimierczuk 等人 [Nature \textbf{514}, 343, (2014)] 在氧化亚铜 $\left(\mathrm{Cu_{2}O}\right)$ 中观测到主量子数高达 $n=25$ 的巨里德伯激子，这不可避免地引发一个问题：由于固体中激子与光子总是耦合的，这些准粒子是否必须在多极化激元框架内描述。本文给出 $\mathrm{Cu_{2}O}$ 中激子-极化激元的理论。为此，我们将 F.~Schweiner 等人 [Phys.~Rev.~B \textbf{95}, 195201, (2017)] 近期推导出的包含完整价带结构、交换相互作用和中心胞修正效应的哈密顿量推广到激子动量 $\hbar K$ 的有限值。我们推导了在使用 F.~Schweiner 等人的完整基组时计算偶极与四极振子强度的公式。获得了对于 $\boldsymbol{K}$ 沿高对称性轴 $[001]$、$[110]$ 和 $[111]$ 三种取向的非常复杂的极化激元谱，并报道了激子态的强混合。主要聚焦于 $1S$ 正激子-极化激元，其已观测到显著的极化激元效应。我们建立了一个 $5\times 5$ 矩阵模型，该模型同时考虑极化激元效应与 $K$ 依赖的分裂，并允许处理任意 $\boldsymbol{K}$ 方向上的各向异性极化激元色散。我们特别讨论了 $\boldsymbol{K}$ 位于垂直于 $[1\bar{1}0]$ 和 $[111]$ 的平面内的色散，这些方向已有实验透射谱测量。此外，我们将结果与 $K$ 依赖分裂、群速度与此激子-极化激元的振子强度的实验值进行比较。