Ikke-lineære effekter i koblede optiske mikrokaviteter

Forskere fra fakultetet for fysik ved universitetet i Warszawa har demonstreret exciton-polariton-lasering og parametrisk spredning af exciton-polaritoner i et system af koblede optiske mikrokaviteter. Resultaterne er blevet offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nanofotonik .

Exciton-polaritoner er kvasipartikler dannet af en stærk kobling mellem excitoner og fotoner i en halvleder. Deres bosoniske natur og ikke-lineære interaktioner tillader observation af fascinerende fænomener såsom Bose-Einstein-kondensering af polaritoner og polaritonlasering, hvilken, i modsætning til typisk lasering, sker uden besættelsesinversion.

Koblede mikrohulrumssystemer, såsom dem, der er baseret på to koblede optiske mikrokaviteter, tilbyde en lovende platform på flere niveauer til grundforskning og praktiske anvendelser. Den unikke struktur bestående af flere dusin lag med den præcist definerede tykkelse (hver med en nøjagtighed på nogle få nanometer) blev fremstillet i MBE-laboratoriet på Det Fysiske Fakultet, Universitetet i Warszawa.

"I det fremlagte arbejde, vi studerer ikke-lineære effekter i et system af to koblede optiske mikrokaviteter. Bose-Einstein-kondensering af polaritoner og polaritonlasering forekommer ved de to laveste energiniveauer i et samlet fire-niveau system. Dette er et overraskende resultat i sammenhæng med, hvad der tidligere er blevet observeret i enkelte mikrohulrum, hvor der foregik kondens i systemets grundtilstand. Emissionsdynamikmålinger har vist, at i det foreliggende tilfælde deler kondensaterne af forskellige energier den samme lasertærskel, men vises ikke samtidigt, dvs. de dannes og forsvinder efterfølgende, en efter en. I øvrigt, overgangen til kondensattilstanden er ledsaget af en energidegenereret parametrisk spredning af polaritoner, dvs. den, hvor krystallens tilstand bevares før og efter spredningsprocessen, " forklarer Krzysztof Sawicki.

I tidligere undersøgelser af koblede mikrohulrum, parametrisk spredning blev opnået under anvendelse af strengt resonant excitation. Den ikke-resonante excitation, der anvendes i dette arbejde, muliggør spektral adskillelse af signalet fra excitationslaseren, hvilket er et lovende resultat ud fra et synspunkt om implementering af kilder til sammenfiltrede fotoner baseret på polaritoner.

Tidligere har et koblet mikrokavitetssystem blev brugt til at demonstrere energioverførsel over 2 mikrometer, medieret af polaritontilstande. Dette er en rekordafstand under hensyntagen til den typiske nanometerskala for interaktion mellem excitoner i en halvleder.

"Vi forventer, at vores resultater åbner vejen for forskning i nye typer af ikke-lineære effekter i multi-level polariton systemer. Vores arbejde er afgørende for så hurtigt udviklende områder som, for eksempel, al-optisk kvanteberegning, da de ikke-lineære interaktioner i et system med flere niveauer kan muliggøre implementering af logiske systemer baseret på polaritoner, " tilføjer Jan Suffczynski.