Físicos demonstram a condensação de polariton Bose-Einstein usando um guia de onda plano

Polariton BIC. a, Representação do guia de ondas polariton com rede 1D parcialmente gravada. b, Dependência dos extremos das bandas superior e inferior em kx = 0 da fração de ar da grade (wa/a), com cores correspondentes ao fator Q , calculado por FDTD. Inset, dispersão calculada de modos de grade (sem ressonância de exciton); a espessura da linha representa a largura das ressonâncias fotônicas correspondentes para wa = 0,25a (linha vertical vermelha). c, dispersão de polariton em função de kx na faixa de energia em torno da transição excitônica (linha tracejada verde), calculada a partir de um modelo de osciladores acoplados:os resultados de FDTD dos componentes fotônicos são acoplados à ressonância excitônica; as cores são uma representação linear da fração excitônica para cada modo entre 0 (fóton) e 1 (éxciton). d, Emissão de fotoluminescência resolvida em ângulo sob excitação não ressonante de uma grade com um passo a ≈ 240 nm e fator de preenchimento FF ≈ 0,7. A mancha escura em E ≈ 1.519 eV no ramo do polariton inferior vem do polariton BIC. O modelo de osciladores acoplados (linha tracejada azul) é usado para ajustar a dispersão do polariton, como em c. e, Energias de pico extraídas experimentalmente e HWHM correspondente (escala de cores) dos dois modos de polariton visíveis em d em função de kx. Os pontos mais próximos de kx ≈ 0 não podem ser caracterizados, devido à falta de sinal do estado escuro. f, Vida útil resolvida em energia de polaritons de propagação do ramo que hospeda o modo BIC que corresponde à fração de exciton de 0,5 (|X|2). As barras de erro (amarelas) são informadas explicitamente, com tamanho crescente ao se aproximar da energia BIC (linha tracejada vertical). g, Dispersão dos modos de polariton em função de kx e ky, extraídos de espectros experimentais. A dispersão do ramo inferior forma claramente uma sela, com um mínimo ao longo de ky e um máximo ao longo de kx. h, Dispersão de polariton calculada ao longo de kx e ky, obtida pelo modelo de osciladores acoplados, como em ce d. As cores em g, h correspondem ao eixo de energia, aumentando do escuro para o claro. Crédito:Natureza (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04583-7

Uma equipe de físicos do CNR-Nanotec em Lecce, Università di Pavia, Princeton University e Université de Lyon demonstrou a condensação de Bose-Einstein usando um guia de ondas planar onde poços quânticos semicondutores foram fortemente acoplados a um estado ligado em um continuum (BIC). Em seu artigo publicado na revista Nature , o grupo descreve como eles projetaram e construíram um guia de ondas com suporte BIC e o usaram para demonstrar a condensação de polariton Bose-Einstein.
BICs são estados topológicos em um sistema quântico que possuem propriedades únicas – sua energia está no espectro de modos que se propagam no espaço ao seu redor. Eles não interagem com outros estados em um continuum, e sua energia, que é considerada real, tem um fator Q infinito. Eles também não podem irradiar para um campo distante. Tais estados podem existir em sistemas acústicos, eletrônicos e fotônicos. Nesse novo esforço, os pesquisadores trabalharam com eles em um sistema fotônico, onde os cristais são usados para melhorar seus efeitos não lineares.

O trabalho do grupo envolveu o uso das propriedades de um BIC para demonstrar a condensação de polariton Bose-Einstein (onde um gás esfria até próximo do zero absoluto formando um novo estado da matéria) em um guia de ondas planar (dispositivo que guia a luz na direção vertical). .)

Em seu trabalho, os pesquisadores construíram um guia de ondas usando 12 camadas de arsenieto de gálio – cada camada foi separada por barreiras. As cinco camadas no topo foram então gravadas com uma grade 1D que foi projetada para garantir um estado BIC ressonante com a excitação de poços quânticos nas camadas. Fazer isso também garantiu que a matéria e a luz fossem fortemente acopladas. Isso levou à formação de exciton-polaritons que, por causa do BIC, eram localizados e tinham uma largura de linha infinitamente estreita.

Os pesquisadores então executaram seu dispositivo usando pulsos de laser direcionados ao guia de ondas e, ao fazê-lo, mostraram a condensação de polariton Bose-Einstein – eles observaram emissões de pico duplo perto das bordas do BIC, a largura da linha ficando mais estreita e a aparência de um desvio para o azul. Eles também mostraram que as propriedades BIC vistas pelos polaritons estavam acima e abaixo do nível de excitação associado à condensação. + Explorar mais