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
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
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
BEC polarytonów - BEC atomów porównanie ekscyton w studni kwantowej górny polaryton ZALETY POLARYTONÓW bardzo mała masa 1-4 m e - 1-5 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
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 1..8.6.4 WIRY I PÓŁWIRY.5 LETTE 1. 1.5 2. 2.5 Excitation density (a.u.) 3..2.5 1. 1.5 2. 2.5 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) 6 12-12 -6 6 12-12.5.5 1..5 kx (µm 1).5.5 1..5.5 1. kx (µm 1) kx (µm 1) d I II III budowanie przestrzennej korelacji fazy Theory 6ps Time (ps) 4 2-12 -6 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, 25642 (29) 3 µm
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
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
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:169.45 (216) J. G. Rousset, BP et al., Applied. Phys. Lett. 17, 2119 (215) 8
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
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
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