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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Владимирский государственный университетимени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»На правах рукописиДемирчян Севак СеробовичНЕЛИНЕЙНЫЕ И НЕКЛАССИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫC ЭКСИТОННЫМИ ПОЛЯРИТОНАМИВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРАХ01.04.21 – Лазерная физикаДиссертация на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель:Доктор физ.-мат.

наукАракелян Сергей МартиросовичВладимир – 2017-2-СОДЕРЖАНИЕВведениеГлава 1. Поляритонные устройства. Обзор литературы4191.1.Экситонные поляритоны в микрорезонаторах .................................................191.2.Элементы оптических цепей на основе экситонных поляритонов ................371.3.Выводы к главе 1 .................................................................................................57Глава 2. Увеличение времени жизни осцилляций Раби в системе экситонныхполяритонов в полупроводниковом микрорезонаторе2.1.58Экситонные поляритоны в микрорезонаторе в присутствии нерезонанснойнакачки .................................................................................................................582.2.Динамика Раби-осциллятора.

Формализм псевдоспина..................................612.3.Раби-осциллятор как макроскопический кубит квантовой памяти................662.4.Выводы к главе 2 .................................................................................................68Глава 3.

Перманентные Раби осцилляции в системе экситонных поляритонов3.1.70Различные механизмы пополнения экситонной моды из некогерентногорезервуара ............................................................................................................703.2.Перманентные осцилляции в экситон-фотонной системе. Свойства РТсимметрии ............................................................................................................743.3.Учет голубого сдвига энергии экситона и дополнительной релаксацииверхней ветки .......................................................................................................843.4.Поляризационные свойства системы экситонных поляритонов в магнитномполе в присутствии нерезонансной накачки.....................................................863.5.Выводы к главе 3 .................................................................................................88Глава 4.

Квантовые флуктуации в системе экситонных поляритонов904.1.Квазиклассический предел. Линейный анализ устойчивости ........................904.2.Р-функция Глаубера-Сударшана. Спектр флуктуаций ...................................94-3-4.3.Решение уравнения Фоккера-Планка ..............................................................1024.4.Выводы к главе 4 ...............................................................................................107Заключение109Список литературы111-4-ВВЕДЕНИЕОбщая характеристика работыАктуальность работыВ настоящее время поляритоника представляет собой универсальныйинструмент изучения фундаментальных аспектов квантовых, когерентных инелинейных явлений, протекающих при взаимодействии света с веществом, инаходит свое применение в различных областях квантовой и атомной оптики, атакже физики конденсированного состояния.

Одним из основных достиженийполяритоники на данный момент является разработка методов получения иуправления поляритонным конденсатом в полупроводниковых микрорезонаторах– макроскопическим квантовым объектом, характеризующимся заселениемосновного энергетического состояния с одновременным увеличением временнойипространственнойкогерентностиСреди[1].областейвозможногопрактического применения поляритонных конденсатов необходимо отметитьзначительныйпрогрессвисследованиях,посвященнымиспользованиюполяритонных систем в качестве альтернативы известным оптическим иэлектронным средствам обработки и передачи информации.Принцип работы типичных оптических вентилей основан на управлениираспространениемоптическогосигналазасчетизмененияпоказателяпреломления среды, которое, в том числе, может быть достигнуто за счетвоздействия другого оптического импульса.

Такое управление может бытьдостигнуто за счет нелинейных свойств материалов: изменение показателяпреломления под действием управляющего оптического воздействия. Однако, ксожалению, нелинейные коэффициенты в доступных на данный моментоптических сплошных твердотельных средах относительно невелики, вследствиечего для функционирования оптических вентилей требуются большие мощности.-5-В этой связи поляритонные среды, которые характеризуются сильнойнелинейностью,обладаютпреимуществамисточкизренияпереключения (характерное время – несколько пикосекунд)мощностейуправляющихвоздействий,необходимыхдлявремении пороговыхосуществлениялогических операций (на 2-3 порядка ниже, чем в схемах использующиесплошные твердотельные среды) [2].

Кроме того, уровень развития современныхмикро- и нанотехнологий позволяет создавать поляритонные устройства,способные функционировать при высоких температурах – вплоть до комнатной[3].В последние десятилетия были предложены различные подходы киспользованию резонаторных поляритонов для задач обработки информации какв классических, так и в квантовых системах. К наиболее ярким примерамнеобходимо отнести поляризационно-управляемые вентили [4], оптические цепина поляритонных нейронах [5], а также оптические поляритонные транзисторы[6]. Основным критерием, предъявляемым к поляритонным средам в подобныхзадачах, является возможность поддержания долговременной когерентности каквсего конденсата в целом, так и между поляритонами, находящимися в разныхсостояниях.

В частности, речь идет о степени когерентности между состояниямиполяритонного конденсата, относящимися к разным поляритонным веткам. Вэтом случае экспериментально присутствие когерентности проявляет себя вбиении интенсивности оптического сигнала от микрорезонатора, известных такжекак осцилляции Раби. Данные биения происходят с частотой, соответствующейэнергетическомурасщеплениюмеждуполяритоннымиветвямиисопровождаются периодическим обменом населенностью между экситонной ифотонной подсистемами. Однако, как было установлено экспериментально [7],сильные диссипативные эффекты, а также процессы декогеренции, имеющиеместо в полупроводниковых микрорезонаторах, приводят к быстрой потерикогерентности между различными состояниями поляритонного конденсата и-6-сопутствующему затуханию осцилляций Раби на временах порядка несколькихпикосекунд.Такимобразом,поляритонов,аисследованиетакжепоисккогерентныхспособовсвойствподдержанияэкситонныхкогерентностивполяритонных системах, представляют собой актуальную научную задачу.

Для еерешениявдиссертационнойработепредлагаетсяспособподдержаниядолгоживущих осцилляции Раби в полупроводниковом микрорезонаторе за счетнепрерывной подпитки осцилляций из некогерентного экситонного резервуара,формируемого нерезонансной накачкой. Для этого исследуются различныемеханизмы рассеивания экситонов из некогерентного резервуара в основноеполяритонное состояние, позволяющие оптимизировать параметры системы идобиться улучшения эффекта поддержания когерентности. При этом особенноевниманиеуделеноисследованиювлиянияэффектов,характерныхдляполупроводниковых микрорезонаторов и способных препятствовать наблюдениюданного эффекта на практике. Речь идет, во-первых, о процессах экситонэкситонноговзаимодействия,обуславливающихсущественнонелинейныйхарактер поляритонных систем.

Во-вторых, существенно неравновесный характерполяритонных систем обуславливает присутствие дополнительных каналоврелаксации поляритонного состояния. В этой связи исследование когерентныхсвойствэкситонныхполупроводниковыхполяритонов,атакжемикрорезонаторах,квантовыхявляетсяфлуктуацийвпринципиальнойфундаментальной задачей с точки зрения изучения условий формированияконденсатов экситонных поляритонов в микрорезонаторе и исследованиявозможности их применения.Целью диссертационной работы является исследование механизмовувеличения времени затухания осцилляций Раби в системе экситонныхполяритонов,сформированныхвприсутствиирезервуаранекогерентныхэкситонов в плоском полупроводниковом микрорезонаторе, а также анализ-7-влияния квантовых флуктуаций на свойства экситонных поляритонов с учетомнелинейного взаимодействия между экситонами.В соответствии с целью диссертационной работы решались следующиеосновные задачи:1.Поискиисследованиеспособаподдержаниядолговременнойкогерентности в полупроводниковом микрорезонаторе между экситоннымиполяритонами, локализованными на разных дисперсионных ветках.

Построениетеории, описывающей действие предложенного механизма.2.Исследование влияния нелинейных процессов в поляритонномконденсате (рассеяния экситонов, находящихся в основном состоянии, друг надруге и на экситонах из некогерентного резервуара), а также дополнительныхмеханизмов релаксации на установление в экситон-фотонной системе устойчивыхво времени осцилляций Раби.3.Определениеусловий(требованийкпараметрамсистемы:интенсивности внешней накачки, диссипации экситонных и фотонных компонент,параметра некогерентного резервуара), при которых экситонные поляритоныобладают свойствами РТ-симметричных (или в общем случае псевдоэрмитовых)систем.4.Анализ влияния квантовых флуктуаций на свойстваэкситонныхполяритонов,локализованныхвсистемыполупроводниковоммикрорезонаторе, с учетом нелинейного взаимодействия между экситонами.Научная новизна1.Предложен физический механизм создания долгоживущих Рабиосцилляцийвсистемеэкситонныхполяритонов,формируемыхвполупроводниковом микрорезонаторе в присутствии некогерентного резервуараэкситонов.2.Исследовано влияние различных механизмов потерь на возможностьустановлениянезатухающихРабиосцилляцийсучетомнелинейного-8-взаимодействия между экситонами и дополнительной релаксации верхнейполяритонной ветки.