Ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμων πολαριτονικών διατάξεων

Abstract

Polaritons are bosonic quasiparticles resulting from the strong coupling between photons and excitons in a solid-state semiconductor microcavity. Their exotic properties arising from their light and matter composition, such as short lifetime and strong nonlinear interactions, constitutes an ideal theoretical and experimental platform for studying out-of-equilibrium fundamental physics properties as well as more applied quantum optics phenomena and possible applications. In this thesis, two themes are treated which are strongly related with realistic applications. In the first part, we realize ultralow threshold polariton lasing regime under optical pumping in a high finesse planar microcavity. Temperature dependence and transition between lasing in the strong and weak coupling regime is investigated. Notably polariton lasing regime is found to be restricted to temperatures below 50K in GaAs microcavity system. Following the realization of polariton lasing device under non-resonant optical pumping, efforts have been directed towards the demonstration of an electrically injected polariton laser. In the second part, we introduce an electrically driven scheme to tune the polariton condensate energy. In contrast to the expected energy redshift, we observed an energy blueshift of polariton condensate caused by controlled Rabi splitting reduction due to tunneling-induced charge buildup in neighboring QWs. This ability to tune the polariton condensate energy brings within reach the realization of voltage-controlled polariton condensate devices and variable-wavelength sources of coherent light.

Τα πολαριτόνια είναι μποζόνια και είναι προϊόντα της ισχυρής σύζευξης μεταξύ των φωτονίων και των εξιτονίων στις ημιαγώγιμες μικροκοιλότητες. Οι εξωτικές τους ιδιότητες που προκύπτουν από τη σύνθεση ύλης και φωτός, όπως ο πολύ μικρός χρόνος ζωής τους και οι ισχυρές μη γραμμικές ενδοσωματιδιακές αλληλεπιδράσεις, αποτελούν μια ιδανική θεωρητική και πειραματική πλατφόρμα για την μελέτη βασικών ιδιοτήτων της ύλης σε συνθήκες εκτός ισορροπίας καθώς επίσης και για πιο εφαρμοσμένα προβλήματα κβαντικής οπτικής και πιθανές ρεαλιστικές εφαρμογές. Στην παρούσα εργασία, δυο είναι οι κύριοι άξονες της μελέτης, όπου και οι δύο σχετίζονται αρκετά με ρεαλιστικές εφαρμογές. Στο πρώτο μέρος, είχαμε την επιτυχή κατασκευή, υψηλού παράγοντα ποιότητας Q ημιαγώγιμης μικροκοιλότητας και την παρατήρηση πολαριτονικού laser με πολύ χαμηλό κατώφλι λειτουργίας υπό μη συντονισμένη οπτική διέγερση. Μελετήθηκε η λειτουργία του πολαριτονικού laser καθώς αυξάναμε τη θερμοκρασία και παρατηρήθηκε η μετάβαση από καθεστώς ισχυρής σύζευξης και καθεστώς ασθενούς σύζευξης. Η λειτουργία πολαριτονικού laser βρέθηκε να περιορίζεται μέχρι τη θερμοκρασία των 50Κ για τα συστήματα μικροκοιλοτήτων σε GaAs. Στη συνέχεια έγιναν προσπάθειες με κατεύθυνση την κατασκευή και τελικά την παρατήρηση ηλεκτρικά αντλούμενου πολαριτονικού laser. Στο δεύτερο μέρος, εισάγαμε ένα ηλεκτρικά οδηγούμενο σχέδιο για την ενεργειακή μεταβολή του πολαριτονικού συμπυκνώματος. Σε αντίθεση με την αναμενόμενη μεταβολή σε χαμηλότερες ενέργειες, παρατηρήθηκε μεταβολή της ενέργειας του πολαριτονικού συμπυκνώματος σε μεγαλύτερες ενέργειες που προκλήθηκε από ελεγχόμενη μείωση του Rabi Splitting λόγω της συσσώρευσης ηλεκτρικού φορτίου μέσω του φαινομένου σήραγγας σε γειτονικά κβαντικά πηγάδια. Η ικανότητα μεταβολής της ενέργειας του πολαριτονικού συμπυκνώματος μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην κατασκευή ηλεκτρικά ελεγχόμενων πολαριτονικών συσκευών καθώς επίσης και σε πηγές σύμφωνου φωτός μεταβαλλόμενου μήκους κύματος.