Første øjebliksbillede af exciton-polariton kondensationsproces

Et ANU-fremskridt giver aldrig før opnået 'øjebliksbillede' af Bose-Einstein-kondens.

Tidligere har observationer af exciton-polaritoner i et Bose-Einstein-kondensat var begrænset til statistisk gennemsnit over millioner af kondenshændelser.

'Snapshot' billeddannelse af polaritoner, der danner et kondensat i en typisk uorganisk halvleder, blev anset for at være umulig.

Nu, FLEET-forskere ved Australian National University har ledet en international undersøgelse, der billeddannelse af exciton-polaritoner for første gang som et 'enkelt skud', frem for gennemsnittet.

"Dette giver en unik mulighed for at forstå detaljerne i Bose-Einstein-kondensering af exciton-polaritoner, "forklarer hovedforfatter Eliezer Estrecho.

Sådanne grundlæggende fremskridt hjælper også FLEETs forskning på excitonisk kondens og overflødighed som en mekanisme til elektronisk ledning uden spild af energi.

Exciton-polaritons er hybridpartikler, der er delstof og dellys, bundet sammen af ​​stærk kobling af fotoner og elektronhullepar (excitoner) inden for halvledermikrohulrum, hvor de kan danne et Bose-Einstein-kondensat.

Et Bose-Einstein-kondensat (BEC) er en kvantetilstand af stof, hvor alle partikler har samme energi og bølgelængde, hvilket betyder, at kvanteeffekter kan ses på en makroskopisk skala. En BEC kan danne et superfluid, dvs. strømning uden modstand.

Men fordi exciton-polaritons levetid måles i picosekunder (billioner af et sekund), observationer af BEC'er har tidligere altid inkluderet et gennemsnit på over millioner levetider for exciton-polaritoner.

Dette er som at tage en lang eksponering af objekter i bevægelse - du får et sløret billede.

ANU-teamet sørgede for, at deres følsomme kamera kun fanger ét levetid eller 'single-shot' af kondensatet, gør dem i stand til at observere exciton-polaritons aldrig-før-set adfærd.

Studiet

Single-shot billeddannelsen udføres ved at analysere sammenhængende hulrums fotoluminescens på grund af henfald af exciton-polaritoner. "Før nu, "siger lektor Elena Ostrovskaya, "Dette blev antaget at være umuligt i uorganiske mikrohulrum, fordi emissioner simpelthen ikke var lyse nok. "

Tætheden af ​​exciton-polaritoner fanget i uorganiske mikrohulrum er for lav til at blive detekteret i single-shot-tilstand, dels fordi exciton-polariton ikke lever længe nok til, at densiteten kan bygge op.

For at få et bedre signal, teamet brugte prøver af ultrahøj kvalitet designet og fremstillet af deres samarbejdspartnere i USA, forlænger polaritons levetid med en størrelsesorden og skubber tætheden højt nok til, at det følsomme kamera kan registrere.

Billeddannelsen afslørede, at i modsætning til det glatte kondensat, der blev observeret i gennemsnitlige eksperimenter, kondensatet danner faktisk filamenter (se billedet herunder), hvis orientering varierer fra skud til skud.

Denne filamentation er et resultat af polariton -interaktion med et usammenhængende reservoir, og er en iboende egenskab ved ikke-ligevægtskondensation.

Denne funktion er især udtalt for exciton-polaritoner med fotonlignende karakter og er mindre tydelig for exciton-polaritoner med exciton-lignende adfærd, som er tættere på ligevægt.

Undersøgelsen fandt bemærkelsesværdig overensstemmelse mellem eksperiment og numeriske simuleringer, validering af baggrundsteorien for exciton-polariton-kondensatdynamik.

Arbejdet baner vej for yderligere grundlæggende undersøgelser af kvantefasetransitioner og ikke-ligevægtskondensation i solid state-systemer.

Single-shot eksperimenterne kunne vise sig kritiske for vores forståelse af den grundlæggende (og stadig debatterede) karakter af den kondenserede fase i disse systemer.

Studiet, "Enkeltskudskondensation af excitonpolaritoner og hulforbrændingseffekten, "blev offentliggjort i Naturkommunikation i august 2018.