Cientistas da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia demonstraram lasing exciton-polariton e dispersão paramétrica de exciton-polaritons em um sistema de microcavidades ópticas acopladas. Os resultados foram publicados na prestigiosa revista. Nanofotônica .

Exciton-polaritons são quasipartículas formadas por um forte acoplamento entre excitons e fótons em um semicondutor. Sua natureza bosônica e interações não lineares permitem a observação de fenômenos fascinantes como a condensação de polaritons de Bose-Einstein e lasing de polariton, que, ao contrário do laser típico, ocorre sem inversão de ocupação.

Sistemas de microcavidades acoplados, como aqueles baseados em duas microcavidades ópticas acopladas, oferecem uma plataforma multi-nível promissora para pesquisa básica e aplicações práticas. A estrutura única que consiste em várias dezenas de camadas com a espessura precisamente definida (cada uma com uma precisão de alguns nanômetros) foi fabricada no laboratório MBE da Faculdade de Física, Universidade de Varsóvia.

“No trabalho apresentado, estudamos efeitos não lineares em um sistema de duas microcavidades ópticas acopladas. A condensação de Bose-Einstein de polaritons e o laser de polariton ocorrem nos dois níveis de energia mais baixos de um sistema geral de quatro níveis. Este é um resultado surpreendente no contexto do que já foi observado em microcavidades individuais, onde a condensação ocorreu no estado fundamental do sistema. Medidas de dinâmica de emissão mostraram que, no caso presente, os condensados ​​de diferentes energias compartilham o mesmo limite de laser, mas não aparecem simultaneamente, ou seja, eles se formam e desaparecem posteriormente, um por um. Além disso, a transição para o estado condensado é acompanhada por um espalhamento paramétrico degenerado em energia de polaritons, ou seja, aquele em que o estado do cristal é preservado antes e depois do processo de espalhamento, "explica Krzysztof Sawicki.

Em estudos anteriores sobre microcavidades acopladas, o espalhamento paramétrico foi obtido usando excitação estritamente ressonante. A excitação não ressonante usada no presente trabalho permite a separação espectral do sinal do laser de excitação, o que é um resultado promissor do ponto de vista da implementação de fontes de fótons emaranhados com base em polaritons.

Anteriormente, um sistema de microcavidade acoplado foi usado para demonstrar a transferência de energia acima de 2 micrômetros, mediada por estados de polariton. Esta é uma distância recorde levando em consideração a escala nanométrica típica de interação entre excitons em um semicondutor.

"Esperamos que nossos resultados abram caminho para a pesquisa de novos tipos de efeitos não lineares em sistemas polariton de vários níveis. Nosso trabalho é essencial para campos de rápido desenvolvimento como, por exemplo, computação quântica totalmente óptica, uma vez que as interações não lineares em um sistema de vários níveis podem permitir a implementação de sistemas lógicos baseados em polaritons, "acrescenta Jan Suffczynski.