Wetenschappers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben exciton-polariton-lasing en parametrische verstrooiing van exciton-polaritonen aangetoond in een systeem van gekoppelde optische microholtes. De resultaten zijn gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nanofotonica .

Exciton-polaritonen zijn quasideeltjes gevormd door een sterke koppeling tussen excitonen en fotonen in een halfgeleider. Hun bosonische aard en niet-lineaire interacties maken de observatie mogelijk van fascinerende fenomenen zoals Bose-Einstein-condensatie van polaritons en polaritonlasing, die, in tegenstelling tot typisch laseren, vindt plaats zonder bezettingsinversie.

Gekoppelde microcaviteitssystemen, zoals die op basis van twee gekoppelde optische microholtes, bieden een veelbelovend platform op meerdere niveaus voor fundamenteel onderzoek en praktische toepassingen. De unieke structuur bestaande uit enkele tientallen lagen met de nauwkeurig gedefinieerde dikte (elk met een nauwkeurigheid van enkele nanometers) werd vervaardigd in het MBE-laboratorium van de Faculteit der Natuurkunde, Universiteit van Warschau.

"In het gepresenteerde werk, we bestuderen niet-lineaire effecten in een systeem van twee gekoppelde optische microholtes. Bose-Einstein-condensatie van polaritonen en polaritonlasing treden op bij de twee laagste energieniveaus van een algemeen systeem met vier niveaus. Dit is een verrassend resultaat in de context van wat eerder is waargenomen in enkele microholtes, waar condensatie plaatsvond in de grondtoestand van het systeem. Emissiedynamica-metingen hebben aangetoond dat in het onderhavige geval de condensaten van verschillende energieën dezelfde laserdrempel delen, maar verschijnen niet tegelijkertijd, d.w.z. ze vormen en verdwijnen vervolgens, een voor een. Bovendien, de overgang naar de condensaattoestand gaat gepaard met een energie-ontaarde parametrische verstrooiing van polaritonen, d.w.z. degene waarin de staat van het kristal behouden blijft voor en na het verstrooiingsproces, " legt Krzysztof Sawicki uit.

In eerdere studies over gekoppelde microholtes, parametrische verstrooiing werd verkregen met behulp van strikt resonante excitatie. De niet-resonante excitatie die in het huidige werk wordt gebruikt, maakt spectrale scheiding van het signaal van de excitatielaser mogelijk, wat een veelbelovend resultaat is vanuit het oogpunt van het implementeren van bronnen van verstrengelde fotonen op basis van polaritonen.

Eerder, een gekoppeld microcavity-systeem werd gebruikt om energieoverdracht over 2 micrometer aan te tonen, gemedieerd door polaritontoestanden. Dit is een recordafstand die rekening houdt met de typische nanometerschaal van interactie tussen excitonen in een halfgeleider.

"We verwachten dat onze resultaten de weg openen naar het onderzoek naar nieuwe soorten niet-lineaire effecten in polaritonsystemen met meerdere niveaus. Ons werk is essentieel voor zulke zich snel ontwikkelende velden als, bijvoorbeeld, volledig optische kwantumcomputers, aangezien de niet-lineaire interacties in een systeem met meerdere niveaus de implementatie van logische systemen op basis van polaritonen mogelijk maken, ", voegt Jan Suffczynski toe.