Koblet udforskning af lys og stof

n kvasipartikler kendt som polaritoner, tilstande af lys og stof er stærkt forbundet. Gruppen af ​​prof. Ataç İmamoğlu har nu udviklet en ny tilgang til at studere ikke-lineære optiske egenskaber af polaritoner i stærkt korrelerede elektroniske tilstande. Derved, de åbnede op for nye perspektiver for at udforske begge ingredienser i polariton:nye funktionaliteter for fotoniske anordninger og grundlæggende indsigt i eksotiske tilstande af stof.

Begrebet 'kvasipartikler' er en meget vellykket ramme for beskrivelsen af ​​komplekse fænomener, der opstår i mange-kropssystemer. En art af kvasipartikler, der især har tiltrukket sig interesse i de senere år, er polaritoner i halvledermaterialer. Disse skabes ved at skinne lys på en halvleder, hvor fotonerne ophidser elektroniske polarisationsbølger, kaldes excitoner. Skabelseprocessen efterfølges af en periode, hvor systemets dynamik kan beskrives som en partikellignende enhed, der hverken er lys eller stof, men en superposition af de to. Først når disse blandede let-stof kvasipartikler henfalder - typisk på tidsskalaen af ​​picosekunder - får fotonerne deres individuelle identitet tilbage. Skriver i journalen Natur , Patrick Knüppel og kolleger fra gruppen af ​​professor Ataç Imamoglu i Institut for Fysik ved ETH Zürich beskriver nu eksperimenter, hvor de frigivne fotoner afslører unikke oplysninger om den halvleder, de lige har forladt; på samme tid er fotonerne blevet modificeret på måder, der ikke ville have været mulige uden at interagere med halvledermaterialet.

Lær fotoner nye tricks

Meget af den nylige interesse for polaritoner kommer fra udsigten til, at de åbner spændende nye muligheder inden for fotonik. Specifikt, polaritoner giver et middel til at lade fotoner gøre noget, som fotoner ikke kan gøre på egen hånd:interagere med hinanden. Lysstråler passerer normalt gennem hinanden. Derimod, fotoner, der er bundet i polaritoner, kan interagere gennem stofdelen af ​​sidstnævnte. Når først denne interaktion kan gøres tilstrækkelig stærk, fotonernes egenskaber kan udnyttes på nye måder, for eksempel til kvanteinformationsbehandling eller i nye optiske kvantematerialer. Imidlertid, at opnå interaktioner, der er stærke nok til sådanne applikationer, er ingen ringe bedrift.

Det starter med at skabe polaritoner i første omgang. Halvledermaterialet, der er vært for det elektroniske system, skal placeres i et optisk hulrum, for at lette en stærk kobling mellem stof og lys. At skabe sådanne strukturer er noget, Imamoglus gruppe har perfektioneret gennem årene, i samarbejde med andre, især med gruppen af ​​professor Werner Wegscheider, også ved Institut for Fysik i ETH Zürich. En særskilt udfordring er at gøre interaktionen mellem polaritoner stærk nok til, at de har en betydelig effekt i løbet af kvasipartiklernes korte levetid. Hvordan man opnår en sådan stærk polariton-polariton-interaktion er i øjeblikket et stort åbent problem på området, hindrer fremskridt i retning af praktiske anvendelser. Og her Knüppel et al. har nu ydet et væsentligt bidrag med deres seneste arbejde.

Kendetegn for stærk interaktion

ETH-fysikerne har fundet en uventet måde at forbedre interaktionen mellem polaritoner på, nemlig ved passende at forberede de elektroner, som fotonerne er ved at interagere med. Specifikt, de startede med, at elektronerne oprindeligt var i det såkaldte fraktionelle kvante Hall-regime, hvor elektroner er begrænset til to dimensioner og udsat for et højt magnetfelt, at danne stærkt korrelerede tilstande, der udelukkende drives af elektron-elektron-interaktioner. For særlige værdier af det påførte magnetfelt - som bestemmer den såkaldte fyldningsfaktor, der karakteriserer kvante-Hall-tilstanden - observerede de, at fotoner skinnede på og reflekterede fra prøven viste klare signaturer af optisk kobling til kvante-Hall-tilstande (se figuren).

Vigtigere, afhængigheden af ​​det optiske signal på påfyldningsfaktoren i elektronsystemet optrådte også i den ikke -lineære del af signalet, en stærk indikator for, at polaritonerne har interageret med hinanden. I den fraktionelle kvante Hall regime, polariton-polariton-interaktionerne var op til en faktor ti stærkere end i eksperimenter med elektronerne uden for dette regime. Denne forbedring med én størrelsesorden er et betydeligt fremskridt i forhold til nuværende kapaciteter, og kan være nok til at muliggøre vigtige demonstrationer af 'polaritonics' (såsom stærk polaritonblokade). Dette ikke mindst som i eksperimenterne af Knüppel et al. stigningen i interaktioner kommer ikke på bekostning af polaritonens levetid, i modsætning til mange tidligere forsøg.

Magten, og udfordringer, af ikke -lineær optik

Ud over implikationerne for at manipulere lys, disse eksperimenter tager også den optiske karakterisering af mange-kropstilstande af todimensionelle elektronsystemer til et nyt niveau. De fastslår, hvordan man adskiller det svage ikke-lineære bidrag til signalet fra det dominerende lineære. Dette er blevet muligt gennem en ny type forsøg, som ETH-forskerne har udviklet. En stor udfordring var at håndtere kravet om at skulle belyse prøven med lys med relativt høj effekt, at justere det svage ikke-lineære signal. For at sikre, at de fotoner, der påvirker halvlederen, ikke forårsager uønskede ændringer af elektronsystemet - især ionisering af fangede ladninger - Imamoglu-Wegscheider-teamet designede en prøvestruktur, der har reduceret følsomhed over for lys, og de udførte eksperimenter med pulseret snarere end kontinuerlig excitation, for at minimere eksponering for lys.

Værktøjssættet, der nu er udviklet til at måle den ikke-lineære optiske respons af kvante Hall-tilstande, skulle muliggøre ny indsigt ud over, hvad der er muligt med lineære optiske målinger eller i de traditionelt anvendte transporteksperimenter. Dette er velkommen nyhed for dem, der studerer samspillet mellem fotoniske excitationer og todimensionelle elektronsystemer - et felt, hvor der ikke er mangel på åbne videnskabelige problemer.