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Condensação de Bose-Einstein de polaritons

condensação de quasipartículas que combina características de fônons e excitons em semicondutores

Condensação de Bose–Einstein de polaritons é um campo crescente na pesquisa de óptica de semicondutores, que exibe coerência espontânea similar a um laser, mas através de um mecanismo diferente. Uma transição contínua da condensação de polariton para a emissão a laser pode ser feita de forma semelhante à transição de um condensado de Bose–Einstein para um estado BCS no conresponseo de gases de Fermi.[1][2] A condensação de polaritons é às vezes chamada de "laser sem inversão".[3][4]

Visão Geral

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Polaritons são bósons quasipartículas que podem ser considerados fótons vestidos. Em uma cavidade óptica, os fótons têm uma massa efetiva e, quando a ressonância óptica em uma cavidade é aproximada em energia de uma ressonância eletrônica (tipicamente um exciton) em um meio dentro da cavidade, os fótons tornam-se fortemente interativos e se repelem. Portanto, eles agem como átomos que podem se aproximar do equilíbrio devido às suas colisões, e podem passar por condensação de Bose-Einstein (BEC) em alta densidade ou baixa temperatura. O condensado de Bose de polaritons então emite luz coerente como um laser. Porque o mecanismo para o início da coerência são as interações entre os polaritons, e não o ganho óptico que vem da inversão, a densidade limiar pode ser bastante baixa.

História

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A teoria do BEC de polaritons foi proposta pela primeira vez por Atac Imamoglu[5] e coautores, incluindo Yoshihisa Yamamoto. Esses autores reivindicaram a observação desse efeito em um artigo subsequente,[6] mas isso foi eventualmente demonstrado como sendo um laser padrão.[7][8] Em trabalhos posteriores em colaboração com o grupo de pesquisa de Jacqueline Bloch, a estrutura foi redesenhada para incluir vários poços quânticos dentro da cavidade para evitar a saturação da ressonância do exciton, e em 2002 evidências de condensação fora do equilíbrio foram relatadas[9] que incluía correlações fóton-fóton consistentes com coerência espontânea. Grupos experimentais posteriores têm utilizado essencialmente o mesmo projeto. Em 2006, o grupo de Benoit Deveaud e coautores relatou a primeira reivindicação amplamente aceita de condensação de Bose-Einstein fora do equilíbrio de polaritons[10] baseado na medição da distribuição de momento dos polaritons. Embora o sistema não estivesse em equilíbrio, um pico claro no estado fundamental do sistema foi observado, uma previsão canônica do BEC. Ambos esses experimentos criaram um gás de polaritons em uma expansão livre não controlada. Em 2007, o grupo experimental de David Snoke demonstrou a condensação de Bose-Einstein fora do equilíbrio de polaritons em uma armadilha,[11] semelhante à forma como os átomos são confinados em armadilhas para experimentos de condensação de Bose-Einstein. A observação da condensação de polaritons em uma armadilha foi significativa porque os polaritons estavam deslocados do ponto de excitação a laser, de modo que o efeito não poderia ser atribuído a um simples efeito não linear da luz laser. Jaqueline Bloch e colegas observaram a condensação de polaritons em 2009,[12] após o que muitos outros experimentalistas reproduziram o efeito (para revisões, consulte a bibliografia). Evidências para a superfluidez de polaritons foram relatadas por Alberto Amo e colegas,[13] baseado na dispersão suprimida dos polaritons durante seu movimento. Este efeito foi observado mais recentemente em temperatura ambiente,[14] que é a primeira evidência de superfluidez em temperatura ambiente, embora em um sistema altamente não equilibrado.

Condensação de polaritons em equilíbrio

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A primeira demonstração clara da condensação de Bose-Einstein de polaritons em equilíbrio[15] foi relatado por uma colaboração entre David Snoke, Keith Nelson e colegas, utilizando estruturas de alta qualidade fabricadas por Loren Pfeiffer e Ken West em Princeton. Antes desse resultado, os condensados de polaritons sempre eram observados fora do equilíbrio.[16][17] Todos os estudos mencionados acima utilizaram bombeamento óptico para criar o condensado. A injeção elétrica, que possibilita um laser de polaritons, o qual poderia ser um dispositivo prático, foi demonstrada em 2013 por dois grupos.[18][19]

Condensação fora do equilíbrio

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Os condensados de polaritons são um exemplo, e o exemplo mais estudado, da condensação de Bose-Einstein de quase-partículas. Como a maioria dos trabalhos experimentais sobre condensados de polaritons utilizou estruturas com tempo de vida muito curto para os polaritons, um grande corpo de teoria abordou as propriedades da condensação e superfluidez fora do equilíbrio. Em particular, Jonathan Keeling[20] E Iacopo Carusotto e C. Ciuti[21] mostraram que, embora um condensado com dissipação não seja um "verdadeiro" superfluido, ainda possui uma velocidade crítica para o início dos efeitos superfluidos.

Ver também

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Referências

  1. ↑ Universal Themes of Bose-Einstein Condensation, published by Cambridge University Press (2017). ISBN 978-1107085695, ISBN 1107085691 Este livro revisa grande parte do trabalho sobre condensação de polaritons e compara e contrasta esses condensados com os condensados atômicos.
  2. ↑ Deng, Hui; Haug, Hartmut; Yamamoto, Yoshihisa (12 de maio de 2010). «Exciton-polariton Bose-Einstein condensation». American Physical Society (APS). Reviews of Modern Physics. 82 (2): 1489–1537. Bibcode:2010RvMP...82.1489D. ISSN 0034-6861. doi:10.1103/revmodphys.82.1489 
  3. ↑ Carusotto, Iacopo; Ciuti, Cristiano (21 de fevereiro de 2013). «Quantum fluids of light». Reviews of Modern Physics. 85 (1): 299–366. Bibcode:2013RvMP...85..299C. ISSN 0034-6861. arXiv:1205.6500 . doi:10.1103/revmodphys.85.299 
  4. ↑ D. Snoke and J. Keeling, “Polariton condensates come of age,” Physics Today, in press.
  5. ↑ Imamog¯lu, A.; Ram, R. J.; Pau, S.; Yamamoto, Y. (1 de junho de 1996). «Nonequilibrium condensates and lasers without inversion: Exciton-polariton lasers». American Physical Society (APS). Physical Review A. 53 (6): 4250–4253. Bibcode:1996PhRvA..53.4250I. ISSN 1050-2947. PMID 9913395. doi:10.1103/physreva.53.4250 
  6. ↑ Pau, Stanley; Cao, Hui; Jacobson, Joseph; Björk, Gunnar; Yamamoto, Yoshihisa; Imamoğlu, Atac (1 de setembro de 1996). «Observation of a laserlike transition in a microcavity exciton polariton system». American Physical Society (APS). Physical Review A. 54 (3): R1789–R1792. Bibcode:1996PhRvA..54.1789P. ISSN 1050-2947. PMID 9913765. doi:10.1103/physreva.54.r1789 
  7. ↑ Kira, M.; Jahnke, F.; Koch, S. W.; Berger, J. D.; Wick, D. V.; Nelson, T. R.; Khitrova, G.; Gibbs, H. M. (22 de dezembro de 1997). «Quantum Theory of Nonlinear Semiconductor Microcavity Luminescence Explaining "Boser" Experiments». American Physical Society (APS). Physical Review Letters. 79 (25): 5170–5173. Bibcode:1997PhRvL..79.5170K. ISSN 0031-9007. doi:10.1103/physrevlett.79.5170 
  8. ↑ Cao, H.; Pau, S.; Jacobson, J. M.; Björk, G.; Yamamoto, Y.; Imamŏglu, A. (1 de junho de 1997). «Transition from a microcavity exciton polariton to a photon laser». American Physical Society (APS). Physical Review A. 55 (6): 4632–4635. Bibcode:1997PhRvA..55.4632C. ISSN 1050-2947. doi:10.1103/physreva.55.4632 
  9. ↑ Deng, Hui; Weihs, Gregor; Santori, Charles; Bloch, Jacqueline; Yamamoto, Yoshihisa (4 de outubro de 2002). «Condensation of Semiconductor Microcavity Exciton Polaritons». American Association for the Advancement of Science (AAAS). Science. 298 (5591): 199–202. Bibcode:2002Sci...298..199D. ISSN 0036-8075. PMID 12364801. doi:10.1126/science.1074464 
  10. ↑ Kasprzak, J.; Richard, M.; Kundermann, S.; Baas, A.; Jeambrun, P.; Keeling, J. M. J.; Marchetti, F. M.; Szymańska, M. H.; André, R.; Staehli, J. L.; Savona, V.; Littlewood, P. B.; Deveaud, B.; Dang, Le Si (2006). «Bose–Einstein condensation of exciton polaritons». Springer Science and Business Media LLC. Nature. 443 (7110): 409–414. Bibcode:2006Natur.443..409K. ISSN 0028-0836. PMID 17006506. doi:10.1038/nature05131 
  11. ↑ Balili, R.; Hartwell, V.; Snoke, D.; Pfeiffer, L.; West, K. (18 de maio de 2007). «Condensação de Bose-Einstein de Polaritons de Microcavidade em uma Armadilha». American Association for the Advancement of Science (AAAS). Science. 316 (5827): 1007–1010. Bibcode:2007Sci...316.1007B. ISSN 0036-8075. PMID 17510360. doi:10.1126/science.1140990 
  12. ↑ Wertz, Esther; Ferrier, Lydie; Solnyshkov, Dmitry D.; Senellart, Pascale; Bajoni, Daniele; Miard, Audrey; Lemaître, Aristide; Malpuech, Guillaume; Bloch, Jacqueline (3 de agosto de 2009). «Formação espontânea de um condensado de polaritons em uma microcavidade planar de GaAs». AIP Publishing. Applied Physics Letters. 95 (5): 051108. Bibcode:2009ApPhL..95e1108W. ISSN 0003-6951. doi:10.1063/1.3192408 
  13. ↑ Amo, Alberto; Lefrère, Jérôme; Pigeon, Simon; Adrados, Claire; Ciuti, Cristiano; Carusotto, Iacopo; Houdré, Romuald; Giacobino, Elisabeth; Bramati, Alberto (20 de setembro de 2009). «Superfluidez de polaritons em microcavidades semicondutoras». Nature Physics. 5 (11): 805–810. Bibcode:2009NatPh...5..805A. ISSN 1745-2473. arXiv:0812.2748 . doi:10.1038/nphys1364 
  14. ↑ Lerario, Giovanni; Fieramosca, Antonio; Barachati, Fábio; Ballarini, Dario; Daskalakis, Konstantinos S.; Dominici, Lorenzo; De Giorgi, Milena; Maier, Stefan A.; Gigli, Giuseppe; Kéna-Cohen, Stéphane; Sanvitto, Daniele (5 de junho de 2017). «Superfluidez em temperatura ambiente em um condensado de polaritons». Nature Physics. 13 (9): 837–841. Bibcode:2017NatPh..13..837L. ISSN 1745-2473. arXiv:1609.03153 . doi:10.1038/nphys4147 
  15. ↑ Sun, Yongbao; Wen, Patrick; Yoon, Yoseob; Liu, Gangqiang; Steger, Mark; Pfeiffer, Loren N.; West, Ken; Snoke, David W.; Nelson, Keith A. (5 de janeiro de 2017). «Condensação de Bose-Einstein de Polaritons de Longa Vida Útil em Equilíbrio Térmico». Physical Review Letters. 118 (1): 016602. Bibcode:2017PhRvL.118a6602S. ISSN 0031-9007. PMID 28106443. arXiv:1601.02581 . doi:10.1103/physrevlett.118.016602 
  16. ↑ Byrnes, Tim; Kim, Na Young; Yamamoto, Yoshihisa (31 de outubro de 2014). «Condensados de Exciton-Polariton». Nature Physics. 10 (11): 803–813. Bibcode:2014NatPh..10..803B. ISSN 1745-2473. arXiv:1411.6822 . doi:10.1038/nphys3143 
  17. ↑ Sanvitto, Daniele; Kéna-Cohen, Stéphane (18 de julho de 2016). «O caminho em direção aos dispositivos polaritônicos». Springer Science and Business Media LLC. Nature Materials. 15 (10): 1061–1073. Bibcode:2016NatMa..15.1061S. ISSN 1476-1122. PMID 27429208. doi:10.1038/nmat4668 
  18. ↑ Bhattacharya, Pallab; Xiao, Bo; Das, Ayan; Bhowmick, Sishir; Heo, Junseok (15 de maio de 2013). «Laser de exciton-polariton injetado eletricamente em estado sólido». American Physical Society (APS). Physical Review Letters. 110 (20): 206403. Bibcode:2013PhRvL.110t6403B. ISSN 0031-9007. PMID 25167434. doi:10.1103/physrevlett.110.206403 
  19. ↑ Schneider, Christian; Rahimi-Iman, Arash; Kim, Na Young; Fischer, Julian; Savenko, Ivan G.; et al. (2013). «An electrically pumped polariton laser». Springer Science and Business Media LLC. Nature. 497 (7449): 348–352. Bibcode:2013Natur.497..348S. ISSN 0028-0836. PMID 23676752. doi:10.1038/nature12036 
  20. ↑ Keeling, Jonathan (16 de agosto de 2011). «Superfluid Density of an Open Dissipative Condensate». Physical Review Letters. 107 (8): 080402. Bibcode:2011PhRvL.107h0402K. ISSN 0031-9007. PMID 21929148. arXiv:1106.0682 . doi:10.1103/physrevlett.107.080402 
  21. ↑ Carusotto, Iacopo; Ciuti, Cristiano (13 de outubro de 2004). «Probing Microcavity Polariton Superfluidity through Resonant Rayleigh Scattering». American Physical Society (APS). Physical Review Letters. 93 (16): 166401. Bibcode:2004PhRvL..93p6401C. ISSN 0031-9007. PMID 15525014. arXiv:cond-mat/0404573 . doi:10.1103/physrevlett.93.166401 

Leitura adicional

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