Optomecánica de un condesado de BOSE-EINSTEIN de polaritones en microcavidades ópticas
Las microcavidades ópticas con pozos cuánticos presentan acoplamiento fuerte excitón-fotón cuando el modo de cavidad esta sintonizado (o parcialmente sintonizado) con los niveles de energías excitónicas, dando lugar a nuevas cuasi-partículas llamadas polaritones. Estas al ser compuesto d...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2019
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/900/1/1Chafatinos.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Las microcavidades ópticas con pozos cuánticos presentan acoplamiento fuerte excitón-fotón cuando el modo de cavidad esta
sintonizado (o parcialmente sintonizado) con los niveles de energías excitónicas, dando lugar a nuevas cuasi-partículas llamadas polaritones. Estas al ser compuesto de partículas bosónicas (cuasi-bosónicas en el caso de los excitones), bajo ciertas condiciones del sistema, presentan una transición de fase llevando al estado polaritónico a la condensación de Bose-Einstein. Ademas, las microcavidades diseñadas con aleaciones GaAs, AlGaAs (para distintas concentraciones de Ga y Al) y AlAs, confinan a su vez vibraciones acústica en el rango de decenas y centenas de GHz. De modo que, llevando este sistema a la fase condensada, se pueden estudiar fenómenos optomecánicos en los que las vibraciones modulan, y son afectadas por el condensado de polaritones. En esta tesis se busca evidenciar la posibilidad de observación de estos fenómenos optomecánicos con retroacción dinámica, es decir, la modulación vibracional del condensado y su efecto en las vibraciones de cavidad. A continuación se presenta una breve discusión de los resultados obtenidos en este trabajo, que abren camino al estudio de sistemas híbridos excitados opticamente, en el régimen de acoplamiento acusto-optoelectrónico fuerte.
Se analizaron las propiedades optoelectrónicas y optomecánicas de tres microcavidades con características diferentes, y objetivos de estudios distintas. La primera de ellas es una microcavidad plana compuesta por dos reflectores de Bragg (DBR, por sus siglas en ingles) de Al_10Ga_90As/Al_95Ga_05As con espesores λ/4, y una cavidad λ/2 de GaAs con dos pozos cuánticos (QW) de In05Ga95As ubicados en λ/8 y 3λ/8 dentro de la misma. Esta presenta la característica de tener gradiente de espesor, variando así la posición energética del modo de cavidad, pudiendo ser sintonizado con los niveles energéticos excitónicos. Ademas, el diseño de las posiciones espaciales de los QWs busca aumentar el acoplamiento optomecánico con las vibraciones de cavidad.
Sobre ésta se analizo la fotoluminiscencia a temperaturas de 8 K, y la dispersión Raman a 78 K, siendo excitadas con un láser continuo. Para las mediciones de fotoluminiscencia se colectó la luz dispersada normal al plano de la muestra, y se utilizo excitación láser no resonante en 760 nm. Los resultados muestran que el sistema presenta tres niveles acoplados fuertemente (originados en el acople entre el modo óptico y los excitones de los dos QWs con espesor levemente diferentes), lo que da lugar al estudio de un sistema polaritónico para diferentes grados de acoplamientos (debido a la posibilidad de manipulación del cambio energético del modo de cavidad). Se midió el acoplamiento entre el modo de cavidad y los excitones, siendo de Ω = (5.51 ± 0.06) meV. Analizando el ancho energético del estado polaritónico de menor energía (LP), se logró estimar el ancho homogéneo del estado fotónico y excitónico, siendo ∆EC = (0.10 ± 0.02) meV y ∆EX = (0.71 ± 0.04) meV respectivamente, y se estimo el factor Q de la cavidad, siendo de Q ∼ 12000. Además, se midió el proceso Stokes y anti-Stokes en doble resonancia óptica (DOR) evidenciando la presencia de fonones acústicos de cavidad ∼ 59 GHz. Para esto, se uso una técnica experimental de ultra-alta resolución, basada en un arreglo tandem muestra/Fabry-Perot/espectrometro. La DOR se realizo con el estado polaritónico de cavidad LP en su carácter puramente fotónico.
La segunda muestra es una microcavidad microestructurada compuesta por DBRs de Al_15Ga_65As/Al_45−80Ga_55−20As, y una cavidad de 3λ/2 de Al_30Ga_70As con 6 QWs de GaAs. La muestra presenta acoplamiento fuerte entre el modo de cavidad, a detuning levemente negativo (definido por la diferencia del modo de cavidad y el primer nivel excitónico desacoplados), con dos excitones originados en huecos pesados y livianos, respectivamente, para temperaturas de < 10 K. De modo que el sistema presenta tres niveles polaritónicos. Ademas del confinamiento en una dimensión, presenta trampas de potenciales laterales del orden de 1-4 µm de tamaño espacial, lo que genera el confinamiento tridimensional de polaritones. Se estudio la fotoluminiscencia con experimentos de micro-fotoluminiscencia, bajo excitación no resonante en 760 nm, en trampas cuadradas de 3.2, 1.6 y 1.3 µm, en función de la potencia de excitación. Se evidencio la discretización de estados resuelto espacialmente para las distintas trampas, y se evidencio la transición de fase a la condensación de Bose-Einstein (BEC) para el estado de menor energía (LP). Se estudió el angostamiento del pico fundamental al ser condensado, y la intensificación no lineal en escala logarítmica, que demuestran la transición de fase al BEC. Bajo la técnica experimental de ultra-alta resolución, se midió el ancho verdadero del pico de luminiscencia correspondiente al estado condensado, encontrando así que los tiempos de coherencia máximas que alcanza el sistema en una trampa de 1.6 µm es de τcoh ≃ 520 ps. Además, se evidenciaron otras propiedades de estos sistemas, como ser el corrimiento a altas energías correspondiente al aumento de excitación láser, y la saturación del mismo debido al carácter fermiónico de las partículas excitónicas. También se encontró que la potencia umbral necesaria para llevar el sistema a su fase condensada, es menor mientras mas chicas sean las dimensiones de las trampas espacia- les, es decir, cuanto mayor sea el confinamiento espacial. También se estudio la trampa de 1.6 µm bajo excitacion pulsada no resonante. Los resultados muestran propiedades similares a bajas potencias, donde se observa la discretización del estado y el corrimiento a altas energías, análogo a lo encontrado con excitación continua. Sin embargo, a altas potencias, el sistema presenta un desdoblamiento del estado, permaneciendo uno de los picos a energía constante, y el otro presentando un corrimiento lineal con la potencia hacia altas energías. Si bien no se encontró una explicación concluyente a estos resultados, en la literatura se encuentra un articulo por el grupo de Yamamoto et. al., en donde se observan resultados similares, y presentan un modelado teórico en donde consideran el acoplamiento coherente fotón-electrón-hueco.[2]
La última muestra es una microcavidad también microestructurada de los mismos componentes que la anterior, con la diferencia que los QW están diseñados en posiciones espaciales en donde se optimiza el acoplamiento optomecánico de vibraciones acústicas de 20 GHz. Sobre ésta se realizaron estudios acústicos de picosegundos con el motivo de estudiar la generación coherente óptica de estas vibraciones. Para esto se empleó una técnica experimental de reflectrometrıa diferencial ultrarrápida, en temperaturas de 80 y 5 K. En este caso, la excitación fue resonante y pulsada con láser de ancho espectral 1 ps, y frecuencia de repetición 80 MHz. Se estudiaron las vibraciones de cavidad de 20 GHz bajo la excitación pulsada a diferentes grados de sintonización del pulso láser con los niveles polaritonicos de cavidad. Los resultados muestran que las intensidades medidas de las vibraciones dependen del grado de sintonización, siendo óptimas en la cercanía de la sintonización máxima con algún modo polaritónico. También se muestra que los tiempos de vida de las vibraciones superan los 10 ns, mientras que la dinámica de relajación de los estados polaritónicos es de 1-3 ns.
Por ultimo, al final del tercer capitulo, se presentan un estudio reciente sobre la segunda muestra acá presentada, en donde en el experimento de micro-fotoluminiscencia y el estado en su fase de mayor coherencia, presenta bandas laterales para valores energéticos de multiplos de 20 GHz respecto al pico del condensado. Lo que puede ser la primera evidencia de un sistema híbrido excitado opticamente, en el cual se presenta el acoplamiento acusto-optoelectrónico fuerte. Esto abre caminos a trabajos futuros en el entendimiento y estudio de BEC modulados con vibraciones de decenas de GHz generado opticamente, pudiendo presentar no-linealidades en la respuesta vibracional del sistema, como ser el enfriamiento mecánico por excitación láser (cooling ) o la auto-estimulación de vibraciones (self-oscillation).
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