A sinistra:una sezione spaziale della struttura studiata. Sono visibili due microcavità ottiche (larghe strisce nere), circondato da specchi Bragg multistrato. L'immagine mostra la distribuzione spaziale del magnesio. È stato ottenuto in un microscopio elettronico a trasmissione nella misura della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia. A destra:spettro di emissione risolta angolarmente di un sistema di due microcavità ottiche accoppiate registrate per potenza di eccitazione al di sopra della soglia laser del polaritone. Le linee bianche rappresentano i livelli di polaritoni calcolati. La dispersione parametrica del polaritone è visibile come punti luminosi all'interno dei rettangoli blu. Credito:K. Sobczak, CNBCh UW, K. Sawicki, Facoltà di Fisica UW
Scienziati della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia hanno dimostrato il laser e lo scattering parametrico eccitone-polaritoni in un sistema di microcavità ottiche accoppiate. I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nanofotonica .
Gli eccitoni-polaritoni sono quasiparticelle formate da un forte accoppiamento tra eccitoni e fotoni in un semiconduttore. La loro natura bosonica e le interazioni non lineari consentono l'osservazione di fenomeni affascinanti come la condensazione di polaritoni di Bose-Einstein e il laser di polaritoni, quale, a differenza del laser tipico, avviene senza inversione di occupazione.
Sistemi di microcavità accoppiate, come quelli basati su due microcavità ottiche accoppiate, offrono una promettente piattaforma multilivello per la ricerca di base e le applicazioni pratiche. La struttura unica composta da diverse dozzine di strati con lo spessore definito con precisione (ciascuno con una precisione di pochi nanometri) è stata fabbricata nel laboratorio MBE presso la Facoltà di Fisica, Università di Varsavia.
"Nel lavoro presentato, studiamo effetti non lineari in un sistema di due microcavità ottiche accoppiate. La condensazione di Bose-Einstein dei polaritoni e il laser dei polaritoni si verificano ai due livelli energetici più bassi di un sistema complessivo a quattro livelli. Si tratta di un risultato sorprendente nel contesto di quanto precedentemente osservato in singole microcavità, dove si è verificata la condensazione nello stato fondamentale del sistema. Le misurazioni della dinamica di emissione hanno mostrato che nel caso in esame i condensati di diverse energie condividono la stessa soglia laser, ma non appaiono contemporaneamente, cioè si formano e scompaiono successivamente, uno per uno. Inoltre, la transizione allo stato condensato è accompagnata da uno scattering parametrico di polaritoni con degenerazione energetica, cioè quello in cui si conserva lo stato del cristallo prima e dopo il processo di scattering, " spiega Krzysztof Sawicki.
In precedenti studi sulle microcavità accoppiate, lo scattering parametrico è stato ottenuto utilizzando un'eccitazione strettamente risonante. L'eccitazione non risonante utilizzata nel presente lavoro consente la separazione spettrale del segnale dal laser di eccitazione, che è un risultato promettente dal punto di vista dell'implementazione di sorgenti di fotoni entangled basate su polaritoni.
In precedenza, un sistema di microcavità accoppiate è stato utilizzato per dimostrare il trasferimento di energia su 2 micrometri, mediato da stati polaritoni. Questa è una distanza record che tiene conto della tipica scala nanometrica di interazione tra eccitoni in un semiconduttore.
"Ci aspettiamo che i nostri risultati aprano la strada alla ricerca su nuovi tipi di effetti non lineari in sistemi di polaritoni multilivello. Il nostro lavoro è essenziale per campi in rapido sviluppo come, Per esempio, calcolo quantistico completamente ottico, poiché le interazioni non lineari in un sistema multilivello possono consentire l'implementazione di sistemi logici basati su polaritoni, " aggiunge Jan Suffczynski.
