Waarom werken tweedimensionale exciton-polaritonen op elkaar in? Het exciton-polariton quasideeltje is deels licht (foton), en deelmaterie (exciton). Hun excitonische (materie) deel geeft hen de mogelijkheid om te interageren met andere deeltjes, een eigenschap die fotonen mist.

In theorie, wanneer beperkt tot slechts twee dimensies, traag, gekoelde excitonen zouden elke interactie met elkaar moeten stoppen. Echter in de praktijk, dit gedrag wordt niet waargenomen met exciton-polaritonen. In een nieuwe studie, FLEET-onderzoekers van Monash University ontdekten dat het antwoord blijkt te liggen in de "lichtachtige" eigenschappen van deze quasideeltjes. Dit heeft potentiële toepassingen bij het gebruik van polaritonen in atomair dunne halfgeleiders, zoals elektronica met ultralage energie.

Verbeterde interacties door sterke licht-materie koppeling

"We zochten antwoorden op een fundamentele vraag over exciton-polaritonen die niet eerder was gesteld, " legt hoofdauteur Dr. Olivier Bleu uit. "Als polaritons in twee dimensies leven, waarom gebeurt het verdwijnen van hun interacties bij lage snelheden niet in experimenten, zoals voorspeld door de kwantumverstrooiingstheorie?"

Het team toonde aan dat de sterke koppeling tussen excitonen en fotonen, samen met de enorme exciton-foton massaverhouding, wijzigt het verstrooiingsgedrag dat wordt verwacht voor "kale" tweedimensionale excitonen en impliceert dat polariton-interacties eindig blijven.

"Preciezer, we hebben aangetoond dat het regime waar de interacties zouden moeten verdwijnen niet waarneembaar is, omdat het een monster zou vereisen dat veel groter is dan het bekende universum, " legt co-auteur Dr. Jesper Levinsen uit.

De resultaten laten zien dat polaritonen meer interageren dan excitonen, wat in contrast staat met de algemene veronderstelling over deze belangrijke quasideeltjes. "Dit werk werpt nieuw licht op de interacties tussen hybride licht-materie quasideeltjes, en zal ons in staat stellen om ons begrip van deze systemen te verdiepen, " zegt corresponderende auteur A/Prof Meera Parish.

Quasideeltjes die zowel licht als materie zijn

Exciton-polaritonen ontstaan ​​wanneer excitonen (elektron-gat-paren) sterk worden gekoppeld aan licht (fotonen) dat is opgesloten in een optische holte. Deze "gespleten persoonlijkheid" geeft het exciton-polariton unieke eigenschappen, het nemen van enkele kenmerken van licht en enkele kenmerken van materie.

Hun vermogen tot interactie vormt de kern van een verscheidenheid aan fascinerende fenomenen die in experimenten waarneembaar zijn en nog steeds niet volledig worden begrepen, inclusief polariton Bose-Einstein condensatie, superfluïditeit en kwantum optische effecten.

"Polariton-interacties in microholtes met atomair dunne halfgeleiderlagen" werd gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek in november 2020.

De studie werd uitgevoerd in de groep van Dr. Jesper Levinsen en A/Prof Meera Parish aan de Monash University, die het gedrag onderzoekt van grote groepen op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes die exotisch gedrag vertonen, zoals supervloeibaarheid, waarin ze stromen zonder op weerstand te stuiten.

Dit werk breidt de fundamentele kennis van de kwantumfysica uit in systemen variërend van koude atomaire gassen tot halfgeleiders in vaste toestand, en heeft het potentieel om een ​​nieuwe generatie bijna-nulweerstand te ondersteunen, ultra-low-energy elektronische apparaten.