Condensación de polaritones de un solo disparo. Fotoluminiscencia (que indica la densidad de polaritones) por encima del umbral de condensación. La teoría en RHS muestra una notable concordancia con el experimento. Crédito:FLOTA
Un avance de ANU proporciona una 'instantánea' nunca antes lograda de la condensación de Bose-Einstein.
Previamente, Las observaciones de excitones-polaritones en un condensado de Bose-Einstein se limitaron a promediar estadísticamente millones de eventos de condensación.
Se consideró imposible obtener imágenes instantáneas de polaritones formando un condensado en un semiconductor inorgánico típico.
Ahora, Los investigadores de FLEET de la Universidad Nacional de Australia han dirigido un estudio internacional de obtención de imágenes de excitones-polaritones por primera vez como un 'disparo único', en lugar de promediar.
"Esto ofrece una oportunidad única para comprender los detalles de la condensación de Bose-Einstein de excitones-polaritones, "explica el autor principal Eliezer Estrecho.
Estos avances fundamentales también ayudan a la investigación de FLEET sobre la condensación excitónica y la superfluidez como mecanismo de conducción electrónica sin desperdicio de energía.
Los excitones-polaritones son partículas híbridas que son parte de materia y parte de luz, unidos por un fuerte acoplamiento de fotones y pares de agujeros de electrones (excitones) dentro de microcavidades semiconductoras, donde pueden formar un condensado de Bose-Einstein.
Un condensado de Bose-Einstein (BEC) es un estado cuántico de la materia en el que todas las partículas tienen la misma energía y longitud de onda, lo que significa que los efectos cuánticos se pueden ver a escala macroscópica. Un BEC puede formar un superfluido, es decir, fluir sin resistencia.
Sin embargo, debido a que la vida útil del excitón-polaritón se mide en picosegundos (billonésimas de segundo), Las observaciones de BEC siempre han incluido previamente un promedio de más de un millón de vidas de excitones-polaritones.
Esto es como tomar una exposición prolongada de objetos en movimiento:obtiene una imagen borrosa.
El equipo de ANU se aseguró de que su cámara sensible capturara solo una vida o un 'disparo único' del condensado, permitiéndoles observar un comportamiento nunca antes visto de excitones-polaritones.
Resultados teóricos y medidas de energía resueltas espacialmente. Crédito:FLOTA
El estudio
La imagen de disparo único se realiza analizando la fotoluminiscencia de la cavidad coherente debido a la desintegración de los excitones-polaritones. "Antes de ahora, "dice la profesora asociada Elena Ostrovskaya, "se pensó que esto era imposible en microcavidades inorgánicas, porque las emisiones simplemente no eran lo suficientemente brillantes ".
La densidad de excitones-polaritones atrapados en microcavidades inorgánicas es demasiado baja para ser detectada en el modo de disparo único, en parte porque el excitón-polaritones no vive lo suficiente para que se acumule la densidad.
Para obtener una mejor señal el equipo utilizó muestras de altísima calidad diseñadas y fabricadas por sus colaboradores en EE. UU., extendiendo la vida útil de los polaritones en un orden de magnitud y empujando la densidad lo suficientemente alta para que la cámara sensible la detecte.
Las imágenes revelaron que, contrariamente al condensado suave observado en experimentos promediados, el condensado en realidad forma filamentos (ver imagen a continuación) cuya orientación varía de una toma a otra.
Esta filamentación es el resultado de la interacción del polaritón con un depósito incoherente, y es una propiedad intrínseca de la condensación en no equilibrio.
Esta característica es especialmente pronunciada para excitones-polaritones con carácter de fotón y es menos evidente para excitones-polaritones con comportamiento de excitón. que están más cerca del equilibrio.
El estudio encontró una concordancia notable entre el experimento y las simulaciones numéricas, validando la teoría de fondo de la dinámica del condensado excitón-polaritón.
El trabajo allana el camino para más estudios fundamentales de las transiciones de fase cuántica y la condensación fuera del equilibrio en sistemas de estado sólido.
Los experimentos de un solo disparo podrían resultar críticos para nuestra comprensión de la naturaleza fundamental (y aún debatida) de la fase condensada en estos sistemas.
El estudio, "Condensación de un solo disparo de polaritones de excitón y el efecto de quemado del agujero, "fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza en agosto de 2018.
