Nierównowagowe kondensaty polarytonów ekscytonowych z gigantycznym rozszczepieniem Zeemana w mikrownękach półprzewodnikowych

Transkrypt

1 Nierównowagowe kondensaty polarytonów ekscytonowych z gigantycznym rozszczepieniem Zeemana w mikrownękach półprzewodnikowych B. Piętka, M. Król, R. Mirek, K. Lekenta, J. Szczytko J.-G. Rousset, M. Nawrocki, W. Pacuski Institute of Experimental Physics Faculty of Physics Warsaw University M. Kulczykowski, N. Bobrovska, M. Matuszewski Institute of Physics, Polish Academy of Sciences 1

2 Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji William D. Philips Techniki chłodzenia laserowego : Nagroda Nobla z Fizyki 1997 Kondensat osiągnięcie eksperymentalne 7 lat po pracach Bosego & Einsteina M. H. Anderson et al., Science 269, 198 (1995) Rozkład prędkości gazu atomów rubidu schłodzonego do 17nK!!! Carl Wieman Eric Cornell University of Colorado at Boulder NIST-JILA Gaz atomów sodu (1 razy więcej atomów) Nagroda Nobla z Fizyki 21 Wolfgang Ketterle Massachusetts Institute of Technology

3 Kwazicząstki w ciele stałym polarytony ekscytonowe w mikrownękach półprzewodnikowych POLARYTON = EKSCYTON + FOTON 5% materia + 5% światło górny polaryton ekscyton w studni kwantowej Rabi foton w mikrownęce dolny polaryton lustro Bragga mikrownęka lustro Bragga lustro Bragga półprzewodnikowy odpowiednik luster dielektrycznych ekscytony w studni kwantowej

4 BEC polarytonów - BEC atomów porównanie ekscyton w studni kwantowej górny polaryton ZALETY POLARYTONÓW bardzo mała masa 1-4 m e m e bozony (kompozytowe) możliwy kondensat w temperaturze pokojowej możliwość oddziaływań poprzez część ekscytonową łatwość badań optycznych dolny polaryton foton w mikrownęce atomy polarytony m Rb: 1 4 m e 1-4 m e T 1-7 K >1K N 1 14 /cm 3 <1 11 /cm 2 t 1 ps FUNDAMENTALNE RÓŻNICE: l brak równowagi termodynamicznej l kondensacja w ośrodku z nieporządkiem l gaz oddziałujących bozonów l nieizolowany system l charakter spinorowy

5 J. Kasprzak, et. al Nature 443, 49 (26) 4 2 III II 1 I Kondensat 1.2 w ciele stałym? TAK!!! Experiment Theory 3 b Scattered light / transmitted light (normalized) a Mean polariton density (µm 2) (from experiment) KONDENSACJA POLARYTONÓW Experiment Theory WIRY I PÓŁWIRY.5 LETTE Excitation density (a.u.) Excitation density (a.u.) 3. K.G.Lagoudakis, et al. Nature Phys. 4, 76 (28)1 II III K.G.Lagoudakis, et al. Science 326, 974 (29) c I Experiment Flow zmiana fazy o 2π dookoła centrum 3 µm wiru 3 µm IV 3 µm V VI.5 KORELACJE DALEKIEGO ZASIĘGU (ODLRO) y spatial direction (µm) kx (µm 1) kx (µm 1) kx (µm 1) d I II III budowanie przestrzennej korelacji fazy Theory 6ps Time (ps) NADCIEKŁOŚĆ 1. ky (µm 1) IV 3 µm V 3 µm VI A. Amo, et al. Nature Physics 326, 974 (29).5 ky (µm 1) G. Nardin, B. Pietka et al. PRL 13, (29) 3 µm

6 STRUKTURA & POMYSŁ: PÓŁMAGNETYCZNE STUDNIE KWANTOWE i NIEMAGNETYCZNA MIKROWNĘKA Silne sprzężenie Półmagnetyczne polarytony ekscytonowe! jony manganu tylko w studni kwantowej! niemagnetyczne DBR niemagnetyczne DBR wzrost i projekt struktur: W. Pacuski, J.-G. Rousset, IFD, UW

7 Półmagnetyczne własności polarytonów własności spinowe Ekscytony o całkowitym momencie pędu J z = 1 ekscytony o sprzęgają się z fotonami polarytony o spinie do dołu ekscytony o J z =+1 J sprzęgają się z fotonami sprzęgają się ze światłem: + polarytony o spinie do góry Energia kondensat z dwoma składowymi spinowymi B =T B 6= T n " = n # n " >n # Pole magnetyczne n # n " kondensat o rozdzielonych składowych spinowych gigantyczny efekt Zeemana E zlokalizowane momenty magnetyczne jonów Mn prowadzą do silnego rozszczepienia pasm p r z e w o d n i c t w a i walencyjnego poprzez oddziaływanie wymiany s,p-d. 7

8 Nierównowagowy kondensat polarytonów wraz ze wzrostem koncentracji polarytonów Niska moc pobudzania - nietermiczne obsadzenie z powodu akumulacji polarytonów o dużych pędach Moc progowa - początek obsadzania stanu podstawowego Nieliniowy wzrost obsadzenia stanu podstawowego Zmiana energii kondensatu z powodu oddziaływań polaryton- polaryton R. Mirek, BP et al. arxiv: (216) J. G. Rousset, BP et al., Applied. Phys. Lett. 17, 2119 (215) 8

9 Nierównowagowy kondensat polarytonów indukowany polem magnetycznym Z e w n ę t r z n e p o l e m a g n e t y c z n e powoduje kondensację polarytonów Współzawodnictwo m i ę d z y o d d z i a ł y w a n i a m i polaryton- polaryton i z m i a n ą e n e r g i i spowodowaną polem magnetycznym moc pobudzania na progu kondensacji stabilny kondensat w polu magntycznym wzrost koncentracji polarytonów w stanie podstawowym moc pobudzania powyżej progu kondensacji 9

10 Spinowo spolaryzowany kondensat polarytonów rozpraszanie stymulowane wyróżniające spin stan równowagi obsadzenia pomiędzy dwoma składowymi spinowymi utrzymują oddziaływania wraz ze wzrostem pola magnetycznego obserwujemy przejście z kondnesatu niespolaryzowanego (pol. liniowa) - poprzez kondensat częściowo spolaryzowany (pol. eliptyczna) - do kondensatu spolaryzowanego (pol. kołowa) rozpraszanie stymulowane do stanu końcowego o określonej polaryzacji spinowej 1

11 Podsumowanie Nierównowagowa kondensacja polar ytonów ekscytonowych w ciele stałym w mikrownękach półprzewodnikowych Półmagnetyczny charakter polarytonów pozwala na badania własności kondensatów spinorowych Dla silnych pól magnetycznych można wytworzyć pojedynczy kondensat spolaryzowany spinowo Można również wytworzyć dwa osobne kondensaty o przecinych spinach (i o różnych energiach) 11