n quasideeltjes bekend als polaritonen, toestanden van licht en materie zijn sterk aan elkaar gekoppeld. De groep van Prof. Ataç İmamoğlu heeft nu een nieuwe benadering ontwikkeld om niet-lineaire optische eigenschappen van polaritonen in sterk gecorreleerde elektronische toestanden te bestuderen. Daarbij, ze openden nieuwe perspectieven voor het verkennen van beide ingrediënten van de polariton:nieuwe functionaliteiten voor fotonische apparaten en fundamenteel inzicht in exotische toestanden van materie.

Het concept van 'quasideeltjes' is een zeer succesvol raamwerk voor de beschrijving van complexe fenomenen die optreden in veellichamensystemen. Een soort quasideeltjes die de laatste jaren vooral in de belangstelling staat, zijn polaritonen in halfgeleidermaterialen. Deze ontstaan ​​door licht op een halfgeleider te schijnen, waar de fotonen elektronische polarisatiegolven opwekken, excitonen genoemd. Het scheppingsproces wordt gevolgd door een periode waarin de dynamiek van het systeem kan worden beschreven als die van een deeltjesachtige entiteit die noch licht noch materie is, maar een superpositie van de twee. Pas als die gemengde quasideeltjes van lichte materie vervallen - meestal op de tijdschaal van picoseconden - krijgen de fotonen hun individuele identiteit terug. Schrijven in het journaal Natuur , Patrick Knüppel en collega's van de groep van professor Ataç Imamoglu van de afdeling Natuurkunde aan de ETH Zürich beschrijven nu experimenten waarin de vrijgekomen fotonen unieke informatie onthullen over de halfgeleider die ze zojuist hebben achtergelaten; tegelijkertijd zijn de fotonen gemodificeerd op manieren die niet mogelijk zouden zijn geweest zonder interactie met het halfgeleidermateriaal.

Fotonen nieuwe trucs leren

Veel van de recente belangstelling voor polaritons komt voort uit het vooruitzicht dat ze intrigerende nieuwe mogelijkheden in fotonica openen. specifiek, polaritons bieden een middel om fotonen iets te laten doen wat fotonen alleen niet kunnen:met elkaar interageren. Lichtstralen gaan normaal gesproken door elkaar heen. Daarentegen, fotonen die in polaritonen zijn gebonden, kunnen interageren via het materiedeel van de laatste. Zodra die interactie voldoende sterk kan worden gemaakt, de eigenschappen van fotonen kunnen op nieuwe manieren worden benut, bijvoorbeeld voor kwantuminformatieverwerking of in nieuwe optische kwantummaterialen. Echter, het bereiken van interacties die sterk genoeg zijn voor dergelijke toepassingen is geen sinecure.

Het begint in de eerste plaats met het maken van polaritonen. Het halfgeleidermateriaal dat het elektronische systeem huisvest, moet in een optische holte worden geplaatst, om een ​​sterke koppeling tussen materie en licht te vergemakkelijken. Het creëren van dergelijke structuren is iets wat de groep van Imamoglu in de loop der jaren heeft geperfectioneerd, in samenwerking met anderen, in het bijzonder met de groep van professor Werner Wegscheider, ook bij de afdeling Natuurkunde van ETH Zürich. Een aparte uitdaging is om de interactie tussen polaritons zo sterk te maken dat ze een aanzienlijk effect hebben tijdens de korte levensduur van de quasideeltjes. Hoe een dergelijke sterke polariton-polariton-interactie te bereiken is momenteel een groot open probleem in het veld, het belemmeren van de voortgang naar praktische toepassingen. En hier Knüppel et al. hebben inmiddels met hun nieuwste werk een substantiële bijdrage geleverd.

Kenmerken van sterke interactie

De ETH-fysici hebben een onverwachte manier gevonden om de interactie tussen polaritonen, namelijk door de elektronen, waarmee de fotonen op het punt staan ​​te interageren, op geschikte wijze voor te bereiden. specifiek, ze begonnen met de elektronen die zich aanvankelijk in het zogenaamde fractionele quantum Hall-regime bevonden, waar elektronen zijn beperkt tot twee dimensies en worden blootgesteld aan een hoog magnetisch veld, om sterk gecorreleerde toestanden te vormen die volledig worden aangedreven door elektron-elektron-interacties. Voor bepaalde waarden van het aangelegde magnetische veld - dat de zogenaamde vulfactor bepaalt die kenmerkend is voor de kwantum Hall-toestand - merkten ze op dat fotonen die op het monster schenen en weerkaatsten, duidelijke kenmerken vertoonden van optische koppeling met kwantum Hall-toestanden (zie de afbeelding).

belangrijk, de afhankelijkheid van het optische signaal van de vulfactor van het elektronensysteem verscheen ook in het niet-lineaire deel van het signaal, een sterke indicator dat de polaritonen met elkaar hebben gewisseld. In het fractionele quantum Hall-regime, de polariton-polariton interacties waren tot een factor tien sterker dan bij experimenten met de elektronen buiten dat regime. Die verbetering met één orde van grootte is een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van de huidige mogelijkheden, en zou voldoende kunnen zijn om belangrijke demonstraties van 'polaritonica' mogelijk te maken (zoals een sterke polaritonblokkade). Dit niet in het minst zoals in de experimenten van Knüppel et al. de toename van interacties gaat niet ten koste van de polariton levensduur, in tegenstelling tot veel eerdere pogingen.

De kracht, en uitdagingen, van niet-lineaire optica

Afgezien van de implicaties voor het manipuleren van licht, deze experimenten tillen ook de optische karakterisering van veellichaamstoestanden van tweedimensionale elektronensystemen naar een nieuw niveau. Ze stellen vast hoe de zwakke niet-lineaire bijdrage aan het signaal kan worden gescheiden van de dominante lineaire. Dit is mogelijk gemaakt door een nieuw type experiment dat de ETH-onderzoekers hebben ontwikkeld. Een grote uitdaging was om te gaan met de eis om het monster te moeten belichten met relatief krachtig licht, om het zwakke niet-lineaire signaal weg te werken. Om ervoor te zorgen dat de fotonen die invallen op de halfgeleider geen ongewenste wijzigingen aan het elektronensysteem veroorzaken, in het bijzonder, ionisatie van ingesloten ladingen - het Imamoglu-Wegscheider-team ontwierp een monsterstructuur met verminderde gevoeligheid voor licht, en ze voerden experimenten uit met gepulseerde in plaats van continue excitatie, blootstelling aan licht te minimaliseren.

De toolset die nu is ontwikkeld om de niet-lineaire optische respons van quantum Hall-toestanden te meten, moet nieuwe inzichten mogelijk maken die verder gaan dan wat mogelijk is met lineaire optische metingen of in de traditioneel gebruikte transportexperimenten. Dit is welkom nieuws voor degenen die de wisselwerking tussen fotonische excitaties en tweedimensionale elektronensystemen bestuderen - een gebied waarin er geen gebrek is aan open wetenschappelijke problemen.