Efekty nieliniowe w sprzężonych mikrownękach optycznych

Po lewej: przekrój przestrzenny przez badaną strukturę. Widoczne są dwie mikrownęki optyczne (czarne szerokie pasy) otoczone wielowarstwowym zwierciadłem typu braggowskiego. Obraz ukazuje rozkład przestrzenny magnezu. Został uzyskany w transmisyjnym mikroskopie elektronowym w pomiarze spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii. Po prawej: rozdzielone kątowo widmo emisji układu dwóch sprzężonych mikrownęk optycznych zarejestrowane dla mocy pobudzania powyżej progu laserowania polarytonowego. Białe linie reprezentują obliczone poziomy polarytonowe. Parametryczne rozpraszanie polarytonów widoczne jest jako jasne punkty w zaznaczonych prostokątach. (Źródło: K. Sobczak, CNBCh UW, K. Sawicki, Wydział Fizyki UW)

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego zaprezentowali na łamach prestiżowego czasopisma „Nanophotonics” zjawisko laserowania polarytonowego oraz rozpraszania parametrycznego polarytonów ekscytonowych w układzie sprzężonych mikrownęk optycznych.

Polarytony ekscytonowe to kwazicząstki powstające w wyniku silnego sprzężenia między ekscytonami i fotonami w półprzewodniku. Ich bozonowy charakter i nieliniowe oddziaływania umożliwiają obserwację fascynujących zjawisk, takich jak kondensacja Bosego-Einsteina polarytonów oraz laserowanie polarytonowe, które w odróżnieniu od typowego laserowania zachodzi bez inwersji obsadzeń.

Sprzężone systemy mikrownękowe, takie jak te bazujące na dwóch sprzężonych mikrownękach optycznych, oferują wielopoziomową platformę obiecującą dla badań podstawowych i zastosowań praktycznych. Unikalną strukturę składającą się z kilkudziesięciu warstw o precyzyjnie określonej grubości (każda z dokładnością do kilku nanometrów) wykonano w laboratorium MBE na Wydziale Fizyki UW.

W prezentowanej pracy przedstawione zostały badania efektów nieliniowych w układzie dwóch sprzężonych mikrownęk optycznych. Kondensacja Bosego-Einsteina polarytonów oraz laserowanie polarytonowe, występuje na dwóch najniższych poziomach energetycznych czteropoziomowego układu. Jest to zaskakujący wynik w kontekście tego, co wcześniej obserwowano w pojedynczych mikrownękach, gdzie kondensacja zachodziła w stanie podstawowym układu. Pomiary dynamiki emisji wykazały, że kondensaty o różnej energii mają wspólny próg laserowania, ale nie pojawiają się jednocześnie, tj. formują się i zanikają jeden po drugim. Co więcej, przejściu w stan kondensatu towarzyszy zdegenerowane w energii parametryczne rozpraszanie polarytonów, czyli takie, w którym stan kryształu przed i po rozproszeniu jest zachowany – tłumaczy Krzysztof Sawicki. We wcześniejszych badaniach nad sprzężonymi mikrownękami rozpraszanie parametryczne uzyskiwano przy zastosowaniu pobudzania ściśle rezonansowego. Pobudzanie nierezonansowe zastosowane w niniejszej pracy umożliwia spektralną separację sygnału od lasera pobudzającego, co jest obiecującym wynikiem z punktu widzenia implementacji źródeł splątanych fotonów opartych na polarytonach.

Poprzednio, układ sprzężonych mikrownęk posłużył do demonstracji transferu energii na odległość ponad 2 μm, w którym uczestniczyły stany polarytonowe. Jest to odległość rekordowo duża jak na typowe, nanometrowe skale oddziaływania między ekscytonami w półprzewodniku. Spodziewamy się, że nasze wyniki otworzą drogę do badań nad nowego typu efektami nieliniowymi w wielopoziomowych układach polarytonowych. Nasza praca ma znaczenie dla takich szybko rozwijających się dziedzin, jak np. całkowicie optyczne obliczenia kwantowe, gdyż nieliniowe oddziaływanie światło-materia w wielopoziomowym systemie może umożliwić realizację układów logicznych bazujących na polarytonach – dodaje Jan Suffczyński.

Więcej informacji można uzyskać kontaktując się z Krzysztofem Sawickim lub Janem Suffczyńskim z Laboratorium Ultraszybkiej MagnetoSpektoskopii (LUMS).

PUBLIKACJE NAUKOWE:

KONTAKTY:

POWIĄZANE STRONY WWW:

TWITTER:

MATERIAŁY GRAFICZNE: