Forskare från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa har visat exciton-polariton-lasering och parametrisk spridning av exciton-polaritoner i ett system av kopplade optiska mikrokaviteter. Resultaten har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Nanofotonik .

Exciton-polaritoner är kvasipartiklar som bildas av en stark koppling mellan excitoner och fotoner i en halvledare. Deras bosoniska natur och icke-linjära interaktioner tillåter observation av fascinerande fenomen som Bose-Einstein-kondensering av polaritoner och polaritonlasring, som, till skillnad från vanlig laserning, sker utan ockupationsinversion.

Kopplade mikrokavitetssystem, såsom de som är baserade på två kopplade optiska mikrohåligheter, erbjuda en lovande plattform på flera nivåer för grundforskning och praktiska tillämpningar. Den unika strukturen bestående av flera dussin lager med den exakt definierade tjockleken (var och en med en noggrannhet på några nanometer) tillverkades i MBE-laboratoriet vid Fysiska fakulteten, University of Warsaw.

"I det presenterade arbetet, vi studerar icke-linjära effekter i ett system av två kopplade optiska mikrokaviteter. Bose-Einstein-kondensering av polaritoner och polaritonlasring sker vid de två lägsta energinivåerna i ett övergripande fyranivåsystem. Detta är ett överraskande resultat i samband med vad som tidigare har observerats i enstaka mikrohålor, där kondens ägde rum i systemets grundtillstånd. Emissionsdynamikmätningar har visat att i det aktuella fallet delar kondensatet av olika energier samma lasrtröskel, men dyker inte upp samtidigt, dvs de bildas och försvinner därefter, en och en. Dessutom, övergången till kondensattillståndet åtföljs av en energidegenererad parametrisk spridning av polaritoner, dvs den där kristallens tillstånd bevaras före och efter spridningsprocessen, " förklarar Krzysztof Sawicki.

I tidigare studier om kopplade mikrohålrum, parametrisk spridning erhölls med användning av strikt resonant excitation. Den icke-resonanta excitation som används i föreliggande arbete möjliggör spektral separation av signalen från excitationslasern, vilket är ett lovande resultat ur synvinkeln att implementera källor för intrasslade fotoner baserade på polaritoner.

Tidigare, ett kopplat mikrokavitetssystem användes för att demonstrera energiöverföring över 2 mikrometer, förmedlas av polaritonstater. Detta är ett rekordavstånd med hänsyn till den typiska nanometerskalan för interaktion mellan excitoner i en halvledare.

"Vi förväntar oss att våra resultat öppnar vägen för forskning om nya typer av icke-linjära effekter i flernivåpolaritonsystem. Vårt arbete är väsentligt för sådana snabbt växande områden som, till exempel, helt optisk kvantberäkning, eftersom de icke-linjära interaktionerna i ett flernivåsystem kan möjliggöra implementering av logiska system baserade på polaritoner, ", tillägger Jan Suffczynski.