Технологии современного мира широко используют как бытовые, так и узкоспециализированные полупроводниковые оптико-электронные устройства. Среди них — светодиоды, применяемые для освещения и отображения информации; фотоэлектрические солнечные батареи; высокочувствительные матрицы фотоаппаратов и спектрометров; и, разумеется, разнообразные источники лазерного излучения. Исходно термином "laser" (light-
amplification by stimulated emission of radiation) был назван класс устройств, испускающих монохроматическое когерентное излучение за счёт использования термодинамически неравновесной среды, характеризующейся инверсией населённости электронных уровней. Такие устройства требуют оптической или электрической накачки, и режим лазерного излучения в них достигается при преодолении некоторого предела по интенсивности накачки — порога генерации. Ставшим уже традиционными фермионным лазерам противопоставляется принципиально иной класс недавно открытых [1] объектов — бозонных лазеров. В данных системах образуется конденсат бозонных квазичастиц, находящихся в одном квантовом состоянии [2]. Практическая реализация бозонных лазеров была осуществлена в низкотемпературных экспериментах [1], а также предсказана [3] и реализована [4] в полупроводниковых структурах при комнатной температуре. Данные системы характеризуются низким порогом генерации по интенсивности накачки, а также демонстрируют
целый ряд интереснейших эффектов (джозефсоновские осцилляции [5], вихри [6], солитоны [7], оптический спиновый эффект Холла [8] и подавление зеемановского расщепления [9]) и потенциальную возможность создания эффективных излучателей терагерцового диапазона [10]. Существенной особенностью таких систем является возможность управления их состоянием как при помощи света, так и электрически [11], что открывает перспективы их использования, например, в качестве логических вентилей или оптической памяти. Стоит отметить, что, хотя в недавнее время эффект лазерной генерации в бозонных конденсатах был получен на практике также и в органических системах [12], наибольшие успехи достигнуты в полупроводниковых системах на основе кристаллов GaAs, GaN, ZnO.
Недавнее успешное применение метода спектроскопии спиновых шумов для определения состояния поляритонного конденсата в планарной структуре [13] продемонстрировало высокую эффективность этой методики для исследования подобных структур. Таким образом, уникальность свойств экситон-поляритонных конденсатов в полупроводниковых микрорезонаторах и широкие перспективы разработки устройств на их основе определили как цель предполагаемого исследования, так и его объект. Целью исследования является наблюдение экситон-поляритонного конденсата в различных структурах на основе GaAs, таких как квантовые ямы в планарных и нанофрагментированных микрорезонаторах, и определение таких его свойств, как время жизни поляритонных состояний, поляризационные свойства испускаемого излучения в зависимости от внешних и внутренних параметров (магнитного поля, температуры, интенсивности накачки и др.) и их интерпретация на микроуровне. Исследование предполагается осуществить на действующей установке спектроскопии спиновых шумов лаборатории оптики спина СПбГУ. Достижение цели обусловлено решением следующих задач:
• Достижение устойчивой генерации поляритонного излучения на различных образцах, содержащих мультиквантовые ямы в микрорезонаторах, её спектральная и интенсивностная характеризация.
• Сопоставление поляризационных шумовых свойств излучения методом, предложенным в [13], для неоднородной и однородной системы излучателей, а также для единичного излучателя в нанофрагментированном резонаторе и в планарной структуре.
• Исследование спектральных свойств радиочастотных шумов излучения упомянутых структур.
• Исследование методом стандартной шумовой спектроскопии свойств керровского вращения зондирующего света, отражённого от структуры, содержащей экситон-поляритонный конденсат.
• Разработка экспериментального метода определения корреляций между шумовыми поляризационными сигналами керровского вращения зондирующего поляритонный конденсат света и лазерного излучения этого конденсата.
Список литературы
[1] J. Kasprzak et al. “Bose-Einstein condensation of exciton polaritons”. In: Nature 443.7110 (2006), p. 409—414.
[2] M. H. Anderson et al. “Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor”. In: Science 269.5221 (1995), p. 198—201.
[3] Guillaume Malpuech et al. “Room-temperature polariton lasers based on GaN microcavities”. In: Applied Physics Letters 81.3 (2002), p. 412—414.
[4] S. Christopoulos et al. “Room-Temperature Polariton Lasing in Semiconductor Microcavities”. In: Phys. Rev. Lett. 98 (2007), p. 126405.
[5] K. G. Lagoudakis et al. “Coherent Oscillations in an Exciton-Polariton Josephson Junction”. In: Phys. Rev. Lett. 105 (2010), p. 120403.
[6] K. G. Lagoudakis et al. “Observation of Half-Quantum Vortices in an Exciton-Polariton Condensate”. In: Science 326.5955 (2009), p. 974—976.
[7] A. Amo et al. “Polariton Superfluids Reveal Quantum Hydrodynamic Solitons”. In: Science 332.6034 (2011), p. 1167—1170.
[8] C. Leyder et al. “Observation of the optical spin Hall effect”. In: Nat Phys 3.9 (сент. 2007), p. 628—631.
[9] A. V. Larionov и др. “Polarized Nonequilibrium Bose-Einstein Condensates of Spinor Exciton Polaritons in a Magnetic Field”. In: Phys. Rev. Lett. 105 (2010), p. 256401.
[10] A. Kavokin et al. “Bosonic lasers: The state of the art”. В: Физика низких температур 42.5 (2016), с. 417—425.
[11] Matthias Amthor et al. “Electro-optical switching between polariton and cavity lasing in an InGaAs quantum well microcavity”. In: Opt. Express 22.25 (2014), p. 31146—31153.
[12] S. Kena-Cohen and S. R. Forrest. “Room-temperature polariton lasing in an organic single-crystal microcavity”. In: Nat Photon 4.6 (2010), p. 371—375.
[13] I. I. Ryzhov et al. “Spin noise of a polariton laser”. In: Phys. Rev. B 93 (2016), p. 241307.
