Автореферат (Нелинейные и неклассические эффекты c экситонными поляритонами в полупроводниковых микрорезонаторах)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Г. иН.Г. СТОЛЕТОВЫХ»На правах рукописиДемирчян Севак СеробовичНелинейные и неклассические эффекты с экситоннымиполяритонами в полупроводниковых микрорезонаторах01.04.21 – Лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукВладимир – 2017Работа выполнена на кафедре физики и прикладной математики федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Владимирский государственный университет имени А.Г.

и Н.Г. Столетовых».Научный руководитель–Аракелян Сергей Мартиросович, докторфизико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты–Чиркин Анатолий Степанович, докторфизико-математических наук, профессор,ФГБОУВО«МГУимениМ.В.Ломоносова», физический факультет,профессорЧижов Алексей Владимирович, докторфизико-математических наук, доцент,Международная межправительственнаяорганизация «Объединенный институтядерных исследований», ведущий научныйсотрудникГладуш Максим Геннадьевич, кандидатфизико-математических наук, доцент,ФГБУН«ИнститутспектроскопииРоссийской академии наук», старшийнаучный сотрудникЗащита диссертации состоится «21» декабря 2017 г. в 16 ч. 45 мин.

назаседании диссертационного совета МГУ.01.13 Московского государственногоуниверситета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, МГУ, д. 1. стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им.С. А. Ахманова.E-mail: sevakdemirchyan@gmail.com .С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27) и насайтеИАС«ИСТИНА»:https://istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/33919655/ .Автореферат разослан «___» __________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат физико-математических наукА.А. КоновкоОбщая характеристика работыАктуальность работыВ настоящее время поляритоника представляет собой универсальныйинструмент изучения фундаментальных квантовых, когерентных и нелинейныхявлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, и относится кразличным областях квантовой и атомной оптики, а также физикиконденсированных сред.

Одним из основных достижений поляритоники наданный момент является получение поляритонного конденсата вполупроводниковых микрорезонаторе (см. рис. 1а ниже) и управление егосвойствами. При этом для данного макроскопического квантового объекта,характерно заселение основного энергетического состояния с одновременнымувеличением его временной и пространственной когерентности [1].Способность поляритонов переходить в макроскопически заселенноекогерентное состояние может быть использована для создания источникакогерентного излучения нового типа, получившего название «поляритонныйлазер». С практической точки зрения поляритонные лазеры обладаютхарактеристиками, аналогичными характеристикам обычного лазера: обаявляются источниками когерентного и монохроматического света, а также вобоих случаях существует некоторый порог накачки, выше которого толькоодно состояние становится эффективно заселенным. Важное отличие состоит втом, что для обычного лазера усиление лазерной моды за счет вынужденногоизлучения происходит, если достигнута инверсия населенности.

Вполяритонном же лазере явные требования к инверсии населенностиотсутствуют. Когерентное излучение формируется в результате высвечиванияполяритонного конденсата из микрорезонатора. При этом порог мощностиоптической накачки, необходимый для формирования конденсата, существеннониже порога лазерной генерации на межзонном переходе в данной структуре.Cредиобластейвозможногопрактическогоприменениямикрорезонаторных поляритонов можно отметить значительный прогресс висследованиях, посвященных использованию поляритонных систем в качествеальтернативы стандартным оптическим и электронным средствам обработки ипередачи информации. Действительно, принцип работы типичных оптическихвентилей основан на управлении распространением оптического сигнала засчет изменения показателя преломления среды.

Это изменение может бытьдостигнуто, например, за счет воздействия другого оптического импульса.Такое управление определяется нелинейными свойствами материалов −3изменением показателя преломления под действием управляющегооптического воздействия. Однако, к сожалению, нелинейные коэффициенты вдоступных на данный момент оптических твердотельных средах относительноневелики.

Поэтому функционирование оптических вентилей требует большихлазерных мощностей.В этой связи поляритонные среды, которые характеризуются сильнойнелинейностью, обладают преимуществами в аспекте быстродействия (иххарактерное время переключения – несколько пикосекунд) и пороговыхмощностей управляющих воздействий, необходимых для осуществлениясоответствующих логических операций (на 2-3 порядка ниже, чем в схемах,использующих оптические твердотельные среды) [2]. Кроме того, достижениясовременных микро- и нанотехнологий позволяет создавать поляритонныеустройства, способные функционировать при высоких температурах – вплотьдо комнатных [3].В последнее десятилетие были предложены различные подходы киспользованию резонаторных поляритонов для задач обработки информациикак в классических, так и в квантовых системах. К наиболее значимымпримерам необходимо отнести поляризационно-управляемые вентили [4],оптические цепи на поляритонных нейронах [5], а также оптическиеполяритонные транзисторы [6].

Основным критерием, предъявляемым кполяритонным средам в подобных задачах, является возможность поддержаниядолговременной когерентности как всего конденсата в целом, так и междуполяритонами, находящимися в разных состояниях. В частности, речь идет остепени когерентности между состояниями поляритонного конденсата,относящимися к разным дисперсионным ветвям. В этом случае наличиекогерентности экспериментально проявляется в виде биении интенсивностиоптического сигнала, выходящего из микрорезонатора, известных какосцилляции Раби. Данные биения происходят с частотой, соответствующейэнергетическому расщеплению между двумя поляритонными ветвями исопровождаются периодическим обменом населенностью между экситонной ифотонной подсистемами. Однако, как было установлено экспериментально [7],сильные диссипативные эффекты, а также процессы декогеренции,происходящие в полупроводниковых микрорезонаторах, приводят к быстройпотери когерентности между различными состояниями поляритонногоконденсата и сопутствующему затуханию осцилляций Раби на временныхмасштабах порядка нескольких пикосекунд.4Таким образом, исследование когерентных свойств поляритонныхисточников оптического излучения, а также поиск способов поддержаниякогерентности в таких поляритонных системах, представляют собойактуальную научную задачу.

Для ее решения в диссертационной работепредлагается способ поддержания долгоживущих осцилляций Раби в связаннойэкситон-фотонной системе за счет непрерывной подпитки осцилляций изнекогерентного экситонного резервуара, формируемого нерезонанснойнакачкой. Для этого исследуются различные механизмы рассеивания экситоновиз некогерентного резервуара в основное поляритонное состояние,позволяющие оптимизировать параметры системы и добиться улучшенияэффекта поддержания когерентности в поляритонном лазере.

При этом особоевнимание уделено анализу влияния характерных для полупроводниковыхмикрорезонаторов эффектов, которые разрушают эту когерентность. Речь идет,во-первых,опроцессахэкситон-экситонноговзаимодействия,обуславливающих сильно нелинейный характер поляритонной динамики. Вовторых, это существенно неравновесный характер поляритонных состояний,который обуславливает присутствие дополнительных каналов релаксации. Вэтой связи исследование когерентных свойств поляритонных источниковоптического излучения с учетом квантовых флуктуаций в полупроводниковыхмикрорезонаторах, является принципиальной фундаментальной задачей.

Онаопределяет возможное применение подобных устройств в качественизкопороговых источников когерентного оптического излучения, а такжеможет способствовать разработке элементов и систем оптической обработкиинформации, функционирующих на новых физических принципах.Целью диссертационной работы является исследование механизмовувеличения времени когерентности осцилляций Раби в системе экситонныхполяритонов, сформированных в присутствии нерезонансной оптическойнакачки в плоском полупроводниковом микрорезонаторе, а также анализвлияния квантовых флуктуаций на свойства излучения поляритонных лазеров.В соответствии с данной целью в диссертационной работы решалисьследующие основные задачи:1.Поиск и исследование механизма поддержания долговременнойкогерентности между экситонными поляритонами, локализованными на разныхдисперсионных ветвях в полупроводниковом микрорезонаторе.