Condensazione a colpo singolo di polaritoni. Fotoluminescenza (che indica la densità del polaritone) al di sopra della soglia di condensazione. La teoria alla RHS mostra un notevole accordo con l'esperimento. Credito:FLEET
Un avanzamento dell'ANU fornisce un'"istantanea" mai raggiunta prima della condensazione di Bose-Einstein.
In precedenza, le osservazioni di eccitone-polaritoni in un condensato di Bose-Einstein erano limitate alla media statistica su milioni di eventi di condensazione.
L'imaging "istantanea" dei polaritoni che formano un condensato in un tipico semiconduttore inorganico è stato considerato impossibile.
Ora, I ricercatori della FLEET dell'Australian National University hanno condotto per la prima volta uno studio internazionale sull'imaging degli eccitoni-polaritoni come "colpo singolo", piuttosto che fare la media.
"Questo offre un'opportunità unica per comprendere i dettagli della condensazione di Bose-Einstein di eccitoni-polaritoni, " spiega l'autore principale Eliezer Estrecho.
Tali progressi fondamentali aiutano anche la ricerca di FLEET sulla condensazione eccitonica e la superfluidità come meccanismo per la conduzione elettronica senza dissipazione sprecata di energia.
Eccitone-polaritoni sono particelle ibride che sono in parte materia e in parte luce, legati insieme da un forte accoppiamento di fotoni e coppie elettrone-lacuna (eccitoni) all'interno di microcavità a semiconduttore, dove possono formare un condensato di Bose-Einstein.
Un condensato di Bose-Einstein (BEC) è uno stato quantico della materia in cui tutte le particelle hanno la stessa energia e lunghezza d'onda, il che significa che gli effetti quantistici possono essere visti su scala macroscopica. Un BEC può formare un superfluido, cioè flusso senza resistenza.
Tuttavia, poiché la durata eccitone-polaritone è misurata in picosecondi (trilionesimi di secondo), le osservazioni dei BEC hanno sempre incluso in precedenza una media di oltre milioni di vite di eccitone-polaritoni.
È come fare una lunga esposizione di oggetti in movimento:ottieni un'immagine sfocata.
Il team dell'ANU si è assicurato che la loro fotocamera sensibile acquisisse solo una vita o "scatto singolo" del condensato, consentendo loro di osservare un comportamento mai visto prima degli eccitoni-polaritoni.
Risultati teorici e misure energetiche risolte spazialmente. Credito:FLEET
Lo studio
L'imaging single-shot viene eseguito analizzando la fotoluminescenza della cavità coerente dovuta al decadimento degli eccitoni-polaritoni. "Prima di adesso, " afferma la prof.ssa associata Elena Ostrovskaya, "si pensava che questo fosse impossibile nelle microcavità inorganiche, perché le emissioni semplicemente non erano abbastanza luminose."
La densità degli eccitoni-polaritoni intrappolati nelle microcavità inorganiche è troppo bassa per essere rilevata in modalità single-shot, in parte perché l'eccitone-polaritone non vive abbastanza a lungo perché la densità si accumuli.
Per ottenere un segnale migliore, il team ha utilizzato campioni di altissima qualità progettati e realizzati dai propri collaboratori negli Stati Uniti, estendendo la durata dei polaritoni di un ordine di grandezza e spingendo la densità abbastanza in alto da essere rilevata dalla fotocamera sensibile.
L'imaging ha rivelato che, contrariamente alla condensa liscia osservata negli esperimenti mediati, il condensato forma effettivamente dei filamenti (vedi immagine sotto) il cui orientamento varia da colpo a colpo.
Questa filamentazione è il risultato dell'interazione del polaritone con un serbatoio incoerente, ed è una proprietà intrinseca della condensazione di non equilibrio.
Questa caratteristica è particolarmente pronunciata per eccitone-polaritoni con carattere simile ai fotoni ed è meno evidente per eccitone-polaritoni con comportamento simile agli eccitoni, che sono più vicini all'equilibrio.
Lo studio ha trovato un notevole accordo tra esperimento e simulazioni numeriche, convalidare la teoria di fondo della dinamica del condensato eccitone-polaritone.
Il lavoro apre la strada a ulteriori studi fondamentali sulle transizioni di fase quantistiche e sulla condensazione di non equilibrio nei sistemi allo stato solido.
Gli esperimenti single-shot potrebbero rivelarsi fondamentali per la nostra comprensione della natura fondamentale (e ancora dibattuta) della fase condensata in questi sistemi.
Lo studio, "Condensazione a colpo singolo dei polaritoni degli eccitoni e l'effetto di bruciatura del foro, " è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura nell'agosto 2018.
