Wydarzenia

Seminarium Fizyki Politechniki Wrocławskiej

Kondensacja polarytonów ekscytonowych w pułapkach optycznych

dr inż. Maciej Pieczarka

Katedra Fizyki Doświadczalnej, Politechnika Wrocławska; Nonlinear Physics Centre, Research School of Physics, Australian National University, Canberra, Australia

Seminarium odbędzie się w formie zdalnej.

Transmisja seminarium obędzie się na platformie Zoom (link zostanie udostępniony osobom zainteresowanym po wcześniejszym kontakcie pod adresem )

Streszczenie:

Polarytony ekscytonowe są kwazicząstkami wynikającymi z silnego sprzężenia pomiędzy ekscytonami i fotonami związanymi w półprzewodnikowej mikrownęce optycznej. Z uwagi na fakt, iż podlegają one statystyce Bosego-Einsteina, mogą one skondensować do kondensatu Bosego-Einsteina – makroskopowo koherentnego stanu materii. Podczas tego seminarium opowiem o moich ostatnich wynikach eksperymentalnych dotyczących podstawowych właściwości kondensatów polarytonów w ultraczystych mikrownękach wysokiej jakości na bazie GaAs. Szczególna uwaga zostanie poświęcona technice pułapkowania optycznego, która jest uzyskana poprzez strukturyzowanie wiązki lasera wzbudzającego próbkę półprzewodnikową, tworząc w ten sposób dowolne dwuwymiarowe kształty potencjału. Pierwsza część seminarium poświęcona będzie kondensacji polarytonów ekscytonowych w pułapkach cylindrycznych w warunkach wysokiej gęstości, w zakresie kondensatu Thomasa-Fermiego, w których to warunkach udało się nam zaobserwować po raz pierwszy kwantowy efekt oddziaływań cząstek w kondensacie, wykraczający poza opis pola średniego, czyli efekt zubożania kwantowego [1]. Następnie omówione zostaną wyniki uzyskane podczas kontynuacji tego projektu, gdzie poprawiono możliwości eksperymentalne, co pozwoliło na szczegółowe przebadanie widma wzbudzeń Bogolubowa w zakresie krótkich fal. Okazało się, że w celu jego zrozumienia eksperymentu konieczne było zbudowanie nowego modelu i teorii na podstawie nowych, niedawno opublikowanych wyników teoretycznych [2], uwzględniając część nieskondensowaną układu i tzw. ciemne konfiguracje ekscytonowe. W dalszej części seminarium krótko omówię wyniki pomiarów ewolucji czasowej wzbudzeń kolektywnych kondensatu Thomasa-Fermiego w pułapce cylindrycznej, gdzie udało nam się zaobserwować niskoenergetyczne wzbudzenia długofalowe i wyznaczyć hydrodynamiczną prędkość dźwięku kondensatu polarytonowego oraz jego oddziaływanie z częścią nieskondensowaną układu [3]. Jeśli czas pozwoli, seminarium zakończę omówieniem wyników projektu, w którym zrealizowaliśmy nieco bardziej skomplikowany potencjał dla kondensatu. Odpowiada on jednowymiarowemu łańcuchowi Su-Schrieffera-Heegera, gdzie zrealizowaliśmy eksperymentalnie topologiczne przejście fazowe w tymże modelu poprzez kontrolowanie wewnątrz- i międzykomórkowych całek przeskoku na węzłach sieci, jednocześnie monitorując obecność inwariantów topologicznych na brzegach łańcucha [4].Polarytony ekscytonowe są kwazicząstkami wynikającymi z silnego sprzężenia pomiędzy ekscytonami i fotonami związanymi w półprzewodnikowej mikrownęce optycznej. Z uwagi na fakt, iż podlegają one statystyce Bosego-Einsteina, mogą one skondensować do kondensatu Bosego-Einsteina – makroskopowo koherentnego stanu materii. Podczas tego seminarium opowiem o moich ostatnich wynikach eksperymentalnych dotyczących podstawowych właściwości kondensatów polarytonów w ultraczystych mikrownękach wysokiej jakości na bazie GaAs. Szczególna uwaga zostanie poświęcona technice pułapkowania optycznego, która jest uzyskana poprzez strukturyzowanie wiązki lasera wzbudzającego próbkę półprzewodnikową, tworząc w ten sposób dowolne dwuwymiarowe kształty potencjału. Pierwsza część seminarium poświęcona będzie kondensacji polarytonów ekscytonowych w pułapkach cylindrycznych w warunkach wysokiej gęstości, w zakresie kondensatu Thomasa-Fermiego, w których to warunkach udało się nam zaobserwować po raz pierwszy kwantowy efekt oddziaływań cząstek w kondensacie, wykraczający poza opis pola średniego, czyli efekt zubożania kwantowego [1]. Następnie omówione zostaną wyniki uzyskane podczas kontynuacji tego projektu, gdzie poprawiono możliwości eksperymentalne, co pozwoliło na szczegółowe przebadanie widma wzbudzeń Bogolubowa w zakresie krótkich fal. Okazało się, że w celu jego zrozumienia eksperymentu konieczne było zbudowanie nowego modelu i teorii na podstawie nowych, niedawno opublikowanych wyników teoretycznych [2], uwzględniając część nieskondensowaną układu i tzw. ciemne konfiguracje ekscytonowe. W dalszej części seminarium krótko omówię wyniki pomiarów ewolucji czasowej wzbudzeń kolektywnych kondensatu Thomasa-Fermiego w pułapce cylindrycznej, gdzie udało nam się zaobserwować niskoenergetyczne wzbudzenia długofalowe i wyznaczyć hydrodynamiczną prędkość dźwięku kondensatu polarytonowego oraz jego oddziaływanie z częścią nieskondensowaną układu [3]. Jeśli czas pozwoli, seminarium zakończę omówieniem wyników projektu, w którym zrealizowaliśmy nieco bardziej skomplikowany potencjał dla kondensatu. Odpowiada on jednowymiarowemu łańcuchowi Su-Schrieffera-Heegera, gdzie zrealizowaliśmy eksperymentalnie topologiczne przejście fazowe w tymże modelu poprzez kontrolowanie wewnątrz- i międzykomórkowych całek przeskoku na węzłach sieci, jednocześnie monitorując obecność inwariantów topologicznych na brzegach łańcucha [4].

[1] M. Pieczarka et al., “Observation of quantum depletion in a nonequilibrium exciton-polariton condensate”, Nat. Commun. 11, 429 (2020);

[2] O. Bleu et al., “Polariton interactions in microcavities with atomically thin semiconductor layers” arXiv: 2004.01336 (2020);

[3] E. Estrecho, M. Pieczarka et al., “Low-energy collective oscillations and Bogoliubov sound in an exciton-polariton condensate”, arXiv:2004.12339 (2020);

[4] M. Pieczarka et al., “Topological phase transition in all-optical polariton lattice” w przygotowaniu