n kvasipartiklar som kallas polaritoner, tillstånd av ljus och materia är starkt kopplade. Gruppen av professor Ataç İmamoğlu har nu utvecklat en ny metod för att studera olinjära optiska egenskaper hos polaritoner i starkt korrelerade elektroniska tillstånd. Genom att göra så, de öppnade upp nya perspektiv för att utforska båda ingredienserna i polariton:nya funktioner för fotoniska enheter och grundläggande insikt i exotiska tillstånd av materia.

Begreppet "kvasipartiklar" är ett mycket framgångsrikt ramverk för beskrivningen av komplexa fenomen som uppstår i system med många kroppar. En art av kvasipartiklar som särskilt har väckt intresse de senaste åren är polaritoner i halvledarmaterial. Dessa skapas genom att skina ljus på en halvledare, där fotonerna upphetsar elektroniska polarisationsvågor, kallas excitoner. Skapandeprocessen följs av en period under vilken systemets dynamik kan beskrivas som en partikelliknande enhet som varken är ljus eller materia, men en superposition av de två. Först när dessa blandade ljusmaterials kvasipartiklar sönderfaller-vanligtvis på tidsskalan för picosekunder-får fotonerna tillbaka sin individuella identitet. Skriver i tidningen Natur , Patrick Knüppel och kollegor från gruppen av professor Ataç Imamoglu vid fysiska institutionen vid ETH Zürich beskriver nu experiment där de frigjorda fotonerna avslöjar unik information om den halvledare som de just lämnat; samtidigt har fotonerna modifierats på ett sätt som inte hade varit möjligt utan att interagera med halvledarmaterialet.

Lär fotoner nya knep

Mycket av det senaste tidens intresse för polaritoner kommer från möjligheten att de öppnar spännande nya möjligheter inom fotonik. Specifikt, polaritoner ger ett sätt att låta fotoner göra något som fotoner inte kan göra på egen hand:interagera med varandra. Ljusstrålar passerar normalt genom varandra. Däremot, fotoner som är bundna i polaritoner kan interagera genom den materiella delen av den senare. När väl den interaktionen kan göras tillräckligt stark, fotons egenskaper kan utnyttjas på nya sätt, till exempel för kvantinformationsbehandling eller i nya optiska kvantmaterial. Dock, att uppnå interaktioner som är tillräckligt starka för sådana applikationer är ingen elak prestation.

Det börjar med att skapa polaritoner i första hand. Halvledarmaterialet som är värd för det elektroniska systemet måste placeras i en optisk hålighet, för att underlätta en stark koppling mellan materia och ljus. Att skapa sådana strukturer är något som Imamoglus grupp har fulländat genom åren, i samarbete med andra, i synnerhet med gruppen av professor Werner Wegscheider, även vid Institutionen för fysik vid ETH Zürich. En separat utmaning är att göra interaktionen mellan polaritoner tillräckligt starka för att de ska ha en betydande effekt under kvasipartiklarnas korta livslängd. Hur man uppnår en så stark polariton-polariton-interaktion är för närvarande ett stort öppet problem på området, hindrar framsteg mot praktiska tillämpningar. Och här Knüppel et al. har nu gjort ett betydande bidrag med sitt senaste arbete.

Kännetecken för stark interaktion

ETH -fysikerna har hittat ett oväntat sätt att förbättra interaktionen mellan polaritoner, nämligen genom att på lämpligt sätt förbereda elektronerna som fotonerna ska interagera med. Specifikt, de började med att elektronerna inledningsvis var i den så kallade fraktionerade quantum Hall-regimen, där elektroner är begränsade till två dimensioner och utsätts för ett högt magnetfält, att bilda starkt korrelerade tillstånd som helt drivs av elektron-elektroninteraktioner. För särskilda värden på det applicerade magnetfältet-som bestämmer den så kallade fyllningsfaktorn som kännetecknar kvant Hall-tillståndet-observerade de att fotoner lyste på och reflekterades från provet visade tydliga signaturer av optisk koppling till kvant Hall-tillstånd (se figuren).

Viktigt, beroende av den optiska signalen på fyllnadsfaktorn för elektronsystemet uppträdde också i den olinjära delen av signalen, en stark indikator på att polaritonerna har interagerat med varandra. I den fraktionerade quantum Hall -regimen, polariton-polariton-interaktionerna var upp till en faktor tio starkare än i experiment med elektronerna utanför den regimen. Att förstärkning med en storleksordning är ett betydande framsteg i förhållande till nuvarande kapacitet, och kan vara tillräckligt för att möjliggöra viktiga demonstrationer av "polaritonics" (t.ex. stark polaritonblockad). Detta inte minst som i experimenten av Knüppel et al. ökningen av interaktioner kommer inte på bekostnad av polaritons livstid, i motsats till många tidigare försök.

Kraften, och utmaningar, av olinjär optik

Utöver konsekvenserna för att manipulera ljus, dessa experiment tar också den optiska karakteriseringen av mångkroppstillstånd i tvådimensionella elektronsystem till en ny nivå. De fastställer hur man skiljer det svaga olinjära bidraget till signalen från den dominerande linjära. Detta har möjliggjorts genom en ny typ av experiment som ETH -forskarna har utvecklat. En stor utmaning var att hantera kravet på att behöva belysa provet med relativt kraftfullt ljus, för att finjustera den svaga olinjära signalen. För att säkerställa att fotonerna som påverkar halvledaren inte orsakar oönskade modifieringar av elektronsystemet - i synnerhet jonisering av instängda laddningar-Imamoglu-Wegscheider-teamet utformade en provstruktur som har minskad ljuskänslighet, och de utförde experiment med pulserande snarare än kontinuerlig excitation, för att minimera exponeringen för ljus.

Verktygssatsen som nu utvecklats för att mäta det olinjära optiska svaret i kvant Hall -tillstånd bör möjliggöra ny insikt utöver vad som är möjligt med linjära optiska mätningar eller i de traditionellt använda transportförsöken. Detta är välkomna nyheter för dem som studerar samspelet mellan fotoniska excitationer och tvådimensionella elektronsystem-ett område där det inte saknas öppna vetenskapliga problem.