Dinámica de polaritones en microcavidades ópticas
Los polaritones excitónicos de microcavidad son cuasipart´ıculas h´ıbridas parte luz - parte materia que emergen del acoplamiento fuerte entre excitones de pozos cuánticos y fotones que se encuentran confinados en una microcavidad semiconductora. La componente excitónica de los polaritones dota a lo...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2022
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1118/1/1Mangussi.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Los polaritones excitónicos de microcavidad son cuasipart´ıculas h´ıbridas parte luz - parte materia que emergen del acoplamiento fuerte entre excitones de pozos cuánticos y fotones que se encuentran confinados en una microcavidad semiconductora. La componente excitónica de los polaritones dota a los mismos de la capacidad de interactuar. Las no linealidades originadas producto de dicha interacción Coulombiana están ligadas a un gran número de efectos fascinantes, como por ejemplo la capacidad de manipular, direccionar o conmutar flujos de polaritones, biestabilidades, etc. A su vez la parte excitónica hace susceptibles a los polaritones a campos eléctricos y magnéticos. Por otro lado, su componente fotónica les confiere una masa efectiva que puede ser cuatro ordenes de magnitud menor que la del excitón desnudo. Esto ultimo, junto al hecho que los polaritones obedecen una estadística bosónica, les ha dado un especial protagonismo a la hora de estudiar condensados de Bose-Einstein (BEC) fuera de equilibrio, en uno o más estados cuánticos, a temperaturas criogénicas e incluso a temperatura ambiente. Sumado a esto, la posibilidad de analizar los fotones que se escapan de la cavidad permite a su vez una magnífica accesibilidad experimental, pudiendo medir de forma directa la relación de dispersión y la distribución espacial de los polaritones, así como también obtener información sobre la fase relativa entre distintos puntos de la distribución de polaritones mediante experimentos de interferencia.
Las técnicas modernas de crecimiento epitaxial permiten actualmente confinar polaritones no solo en cavidades planas, sino también en trampas 1D y 0D, micropilares, microdiscos e incluso redes de diversas geometrías. Esta versatilidad a la hora de diseñar los potenciales de confinamiento posibilita usar los sistemas de polaritones también como plataformas altamente versátiles para emular física de Hamiltonianos 1D Y 2D. Esto permite trasladar al contexto de la fotónica algunas de las propiedades de sistemas electrónicos usuales de materia condensada e incluso diseñar nuevos Hamiltonianos con novedosas propiedades topológicas y de trasporte para los polaritones.
Por ultimo, otro de los campos donde los polaritones han tenido una especial relevancia en el ultimo tiempo es el de la optomecánica en microcavidades. Estos sistemas cuánticos híbridos aprovechan el hecho de que las mismas cavidades que soportan fotones (o polaritones) pueden ser diseñadas de tal forma que confinen fonones y que estas vibraciones se acoplen fuertemente a los modos fotónicos y excitónicos presentes en las mismas.
En esta tesis abordaremos algunos aspectos de las líneas de investigación en polaritones de microcavidad mencionadas anteriormente, el trabajo puede dividirse en dos partes, en función de la temática y del grupo experimental con el cual se realizaron las colaboraciones.
En la primera parte presentaremos una versión modificada de los modelos usuales tipo Gross-Pitaevskii que nos permite describir con mucho detalle una serie de mediciones realizadas en arreglos de microtrampas de diferentes tamaños. En estos experimentos, puede verse como las energías de los niveles polaritónicos confinados experimentan un corrimiento hacia valores mayores, tendiendo a acercarse a las energías de los modos fotónicos puros.
A su vez, en algún punto de este corrimiento el sistema experimenta una transición a un estado de emisión coherente. Nuestros resultados sugieren que, para reproducir correctamente esta renormalización de la energía y los potenciales efectivos asociados de los estados poliatómicos en función de la potencia de excitación, es importante incluir en el modelo tanto los efectos de las interacciones entre polaritones como de la saturación del acoplamiento fuerte debida una reducción del desdoblamiento Rabi. Usaremos estos modelos a su vez para describir resultados novedosos sobre la generación de estados coherentes de dos fonones en sistemas de fluidos cuánticos de luz confinados en arreglos de microtrampas. Mostraremos que por encima de la potencia umbral donde el sistema de polaritones transiciona a un estado coherente, aparecen comportamientos físicos muy interesantes cuando la diferencia de energía entre el estado fundamental de la trampa que es directamente bombeada por el láser externo y el de alguna de sus vecinas coincide con la energía combinada de un par de los fonones confinados en la microestructura. En particular describiremos la aparición
de una resonancia paramétrica optomecánica, que se ve acompañada de un locking de las energías de los estados fundamentales de la trampa bombeada y vecina y un fortalecimiento del tunneling entre dichos estados fundamentales, mediado por transiciones a través del estado excitado inducidas optomecánicamente.
En la segunda parte de la tesis presentamos un modelo tight-binding minimal en la cantidad de parámetros libres, que nos permite describir con gran precisión la estructura de bandas y los estados de borde de redes y cintas de grafeno polaritónico construidas en base a micropilares completamente grabados en la estructura semiconductora. El modelo incluye como elementos fundamentales, la presencia de orbitales tipo s y p no ortogonales. Analizaremos en particular la influencia que tiene la no ortogonalidad, la interacción ´ınter-orbital y el efecto espín-órbita fotónico tanto en la dispersión de bulk como en los estados de borde. |
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