Fysikere demonstrerer polariton Bose-Einstein-kondensering ved hjælp af en plan bølgeleder

Polariton BIC. a, Repræsentation af polaritonbølgelederen med delvist ætset 1D gitter. b, Afhængighed af det øvre og nedre bånd ekstrema i kx = 0 af gitterluftfraktionen (wa/a), med farver svarende til Q faktoren, som beregnet af FDTD. Indsat, beregnet spredning af gittertilstande (uden excitonresonans); linjetykkelsen repræsenterer bredden af de tilsvarende fotoniske resonanser for wa = 0,25a (rød lodret linje). c, Polariton-spredning som funktion af kx i energiområdet omkring den excitoniske overgang (grøn stiplet linje), beregnet ud fra en koblet oscillatormodel:FDTD-resultaterne for de fotoniske komponenter er koblet til den excitoniske resonans; farverne er en lineær repræsentation af den excitoniske fraktion for hver tilstand mellem 0 (foton) og 1 (exciton). d, Vinkelopløst fotoluminescensemission under ikke-resonant excitation fra et gitter med en stigning a ≈ 240 nm og fyldfaktor FF ≈ 0,7. Den mørke plet ved E ≈ 1.519 eV på den nedre polaritongren kommer fra polariton BIC. Modellen med koblede oscillatorer (blå stiplet linje) bruges til at passe til polariton-spredningen, som i ca. e, Eksperimentelt ekstraherede spidsenergier og tilsvarende HWHM (farveskala) fra de to polaritontilstande synlige i d som funktion af kx. Punkterne tættest på kx ≈ 0 kan ikke karakteriseres på grund af manglende signal fra den mørke tilstand. f, Energiopløst levetid for udbredelse af polaritoner fra grenen, der er vært for BIC-tilstanden, der svarer til 0,5 excitonfraktionen (|X|2). Fejlbjælker (gule) rapporteres eksplicit med stigende størrelse, når BIC-energien nærmer sig (lodret stiplet linje). g, Spredning af polariton-tilstandene som en funktion af kx og ky, ekstraheret fra eksperimentelle spektre. Spredningen af den nederste gren danner klart en sadel, med et minimum langs ky og et maksimum langs kx. h, Beregnet polaritonspredning langs kx og ky, opnået ved den koblede oscillatormodel, som i c og d. Farverne i g, h svarer til energiaksen, stigende fra mørk til lys. Kredit:Nature (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04583-7

Et team af fysikere fra CNR-Nanotec i Lecce, Università di Pavia, Princeton University og Université de Lyon har demonstreret Bose-Einstein-kondensering ved hjælp af en plan bølgeleder, hvor halvlederkvantebrønde var stærkt koblet til en bundet tilstand i et kontinuum (BIC). I deres papir offentliggjort i tidsskriftet Nature , beskriver gruppen, hvordan de designede og byggede en BIC-understøttet bølgeleder og brugte den til at demonstrere polariton Bose-Einstein-kondensering.

BIC'er er topologiske tilstande i et kvantesystem, der har unikke egenskaber - deres energi er i spektret af tilstande, der forplanter sig i rummet omkring dem. De interagerer ikke med andre tilstande i et kontinuum, og deres energi, som anses for reel, har en uendelig Q-faktor. De kan heller ikke stråle ud i et fjernt felt. Sådanne tilstande kan eksistere i akustiske, elektroniske og fotoniske systemer. I denne nye indsats arbejdede forskerne med dem i et fotonisk system, hvor krystaller bruges til at forbedre deres ikke-lineære effekter.

Gruppens arbejde involverede brug af egenskaberne af en BIC til at demonstrere polariton Bose-Einstein kondensation (hvor en gas afkøles til næsten det absolutte nul og danner en ny tilstand af stof) i en plan bølgeleder (en enhed, der leder lys i en vertikal retning .)

I deres arbejde byggede forskerne en bølgeleder ved hjælp af 12 lag galliumarsenid - hvert lag var adskilt af barrierer. De fem lag i toppen blev derefter ætset med et 1D-gitter, der var designet til at sikre en resonans BIC-tilstand med excitation af kvantebrønde i lagene. Det sikrede også, at sagen og lyset var stærkt forbundet. Dette førte til dannelsen af exciton-polaritoner, der på grund af BIC var lokaliserede og havde en linjebredde, der var uendelig smal.

Forskerne kørte derefter deres enhed ved hjælp af laserimpulser rettet mod bølgelederen og viste dermed polariton Bose-Einstein-kondensering - de observerede emissioner med dobbelt peak nær BIC-kanterne, linjebredden blev smallere og udseendet af en blåforskydning. De viste også, at BIC-egenskaberne set af polaritonerne var både over og under tærskelniveauet for excitation forbundet med kondensationen. + Udforsk yderligere

Ikke-lineære effekter i koblede optiske mikrokaviteter

Sidste artikelJustering af kvantificerede niveauer i valleytronic-materialer

Næste artikelNye, meget justerbare kompositmaterialer – med et twist