Físicos demuestran la condensación polariton Bose-Einstein utilizando una guía de onda plana

Polariton BIC. a, Representación de la guía de ondas de polaritón con retícula 1D parcialmente grabada. b, Dependencia de los extremos de la banda superior e inferior en kx = 0 en la fracción de aire de rejilla (wa/a), con colores correspondientes al factor Q , calculado por FDTD. Recuadro, dispersión calculada de los modos de rejilla (sin resonancia de excitón); el grosor de la línea representa el ancho de las resonancias fotónicas correspondientes para wa = 0.25a (línea vertical roja). c, Dispersión de polariton en función de kx en el rango de energía alrededor de la transición excitónica (línea discontinua verde), calculada a partir de un modelo de osciladores acoplados:los resultados FDTD de los componentes fotónicos se acoplan a la resonancia excitónica; los colores son una representación lineal de la fracción excitónica para cada modo entre 0 (fotón) y 1 (excitón). d, Emisión de fotoluminiscencia resuelta en ángulo bajo excitación no resonante de una rejilla con un paso a ≈ 240 nm y factor de relleno FF ≈ 0.7. La mancha oscura en E ≈ 1.519 eV en la rama inferior del polaritón proviene del BIC del polaritón. El modelo de osciladores acoplados (línea discontinua azul) se usa para ajustar la dispersión del polaritón, como en c. e, Energías máximas extraídas experimentalmente y HWHM correspondiente (escala de color) de los dos modos de polaritón visibles en d en función de kx. Los puntos más cercanos a kx ≈ 0 no se pueden caracterizar debido a la falta de señal del estado oscuro. f, Vida útil resuelta en energía de los polaritones que se propagan desde la rama que aloja el modo BIC que corresponde a la fracción de excitón de 0,5 (|X|2). Las barras de error (amarillas) se informan explícitamente, con un tamaño creciente al acercarse a la energía BIC (línea discontinua vertical). g, Dispersión de los modos de polaritón en función de kx y ky, extraídos de espectros experimentales. La dispersión de la rama inferior claramente forma una silla de montar, con un mínimo a lo largo de ky y un máximo a lo largo de kx. h, dispersión de polaritón calculada a lo largo de kx y ky, obtenida por el modelo de osciladores acoplados, como en c y d. Los colores en g, h corresponden al eje de energía, aumentando de oscuro a claro. Crédito:Naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04583-7

Un equipo de físicos de CNR-Nanotec en Lecce, Università di Pavia, Princeton University y Université de Lyon ha demostrado la condensación de Bose-Einstein utilizando una guía de onda plana donde los pozos cuánticos de semiconductores estaban fuertemente acoplados a un estado ligado en un continuo (BIC). En su artículo publicado en la revista Nature , el grupo describe cómo diseñaron y construyeron una guía de ondas compatible con BIC y la usaron para demostrar la condensación polariton Bose-Einstein.

Los BIC son estados topológicos en un sistema cuántico que tienen propiedades únicas:su energía está en el espectro de modos que se propagan en el espacio que los rodea. No interactúan con otros estados en un continuo y su energía, que se considera real, tiene un factor Q infinito. Tampoco pueden irradiar a un campo lejano. Dichos estados pueden existir en sistemas acústicos, electrónicos y fotónicos. En este nuevo esfuerzo, los investigadores trabajaron con ellos en un sistema fotónico, donde se utilizan cristales para mejorar sus efectos no lineales.

El trabajo del grupo involucró el uso de las propiedades de un BIC para demostrar la condensación polaritón Bose-Einstein (donde un gas se enfría hasta cerca del cero absoluto formando un nuevo estado de la materia) en una guía de onda plana (un dispositivo que guía la luz en dirección vertical .)

En su trabajo, los investigadores construyeron una guía de ondas utilizando 12 capas de arseniuro de galio; cada capa estaba separada por barreras. Luego, las cinco capas en la parte superior se grabaron con una rejilla 1D diseñada para garantizar un estado BIC resonante con la excitación de los pozos cuánticos en las capas. Hacerlo también aseguró que la materia y la luz estuvieran fuertemente acopladas. Esto condujo a la formación de excitones-polaritones que, debido al BIC, estaban localizados y tenían un ancho de línea infinitamente estrecho.

Luego, los investigadores ejecutaron su dispositivo usando pulsos láser dirigidos a la guía de ondas y, al hacerlo, mostraron la condensación polariton Bose-Einstein:observaron emisiones de doble pico cerca de los bordes BIC, el ancho de línea se hizo más estrecho y la apariencia de un desplazamiento hacia el azul. También mostraron que las propiedades BIC observadas por los polaritones estaban tanto por encima como por debajo del nivel umbral de excitación asociado con la condensación. + Explora más