Поляритонный лазер - Polariton laser

А поляритонный лазер это новый тип лазер источник, который использует когерентную природу бозе-конденсатов экситон-поляритоны в полупроводники для достижения сверхнизкого порога генерации.[1]

В 1996 году Имамоглу и другие. предложил такой новый тип когерентного источника света и объяснил концепцию[2] на основе эффекта, тесно связанного с Конденсация Бозе – Эйнштейна атомов: Большое количество бозонных частиц (здесь: поляритоны ) образуют конденсат в макроскопически заполненном квантовом состоянии за счет вынужденного рассеяния. Конденсат поляритонов в конечном итоге обеспечивает когерентное излучение света. Таким образом, это когерентный источник света, который имеет другой рабочий механизм по сравнению с обычными лазерными устройствами. В силу своего принципа поляритонный лазер обещает более энергоэффективную работу лазера. Типичная полупроводниковая структура такого лазера состоит из оптический микрополость помещенный между распределенные брэгговские отражатели.

Ранняя демонстрация поляритонной генерации и сравнение с обычной генерацией была достигнута в 2003 году Х. Денгом. и другие. в Стэнфордском университете при оптическом возбуждении[1] (Поляритонная конденсация позже была полностью связана с динамическим Конденсация Бозе – Эйнштейна в 2006 году Каспрзак и другие.[3]). Однако электрическая накачка поляритон Лазер, имеющий решающее значение для практического использования поляритонных источников света, не был продемонстрирован до 2013 года. В конце концов, десять лет спустя, первая и недвусмысленная демонстрация поляритонного лазера с электрической накачкой была недавно представлена ​​группой исследователей из университет Мичигана [4] и команда из Вюрцбургского университета вместе со своими международными партнерами, использующая аналогичные методы.[5]

На этом этапе устройство с электрическим приводом работает при очень низких температурах около 10 К и требует приложения магнитного поля в геометрии Фарадея. В 2007 году была продемонстрирована работа поляритонного лазера с оптической накачкой даже при комнатной температуре.[6][7] перспективная разработка будущих поляритонных лазеров с электрической накачкой для применения при комнатной температуре.

Отличить поляритонную генерацию от обычной (фотонной) генерации из-за схожих характеристик излучения важно и сложно. Решающим элементом успеха обеих команд является гибридная природа поляритонов, материальная составляющая которых (экситоны) чувствительно реагирует на внешнее магнитное поле. Команда из Мичигана под руководством Паллаба Бхаттачарьи использовала комбинацию модулирующего легирования квантовых ям в активной области для усиления поляритон-электронного рассеяния и внешнего магнитного поля для усиления поляритон-фононного рассеяния и плотности насыщения экситон-поляритонов. Благодаря этим мерам они достигли сравнительно низкого порога генерации поляритонов 12 А / см.2 (опубликовано в Письма с физическими проверками в мае 2013 г.). Исследования, проведенные группой в Вюрцбурге, начавшейся с идеи создания электрического устройства в 2007 году, привели к желаемому эффекту через несколько лет сотрудничества с их международными партнерами из США, Японии, России, Сингапура, Исландии и Германии. . Наконец, их исследования были дополнены решающим экспериментом в магнитном поле:[8] была дана недвусмысленная проверка материальной составляющей эмиссионной моды в режиме поляритонного лазера, что дало впервые экспериментальную демонстрацию поляритонный лазер с электрической накачкой К. Шнайдера, А. Рахими-Имана и соавторов в коллективе С. Хёфлинга (опубликовано в Природа в мае 2013 г.).

5 июня 2014 года команде Бхаттачарьи удалось создать то, что считается первым поляритонным лазером, который питается от электрического тока, а не от света, а также работает при комнатной температуре, а не намного ниже нуля.[9]

Рекомендации

  1. ^ а б Deng, H .; Weihs, G .; Сноук, Д.; Bloch, J .; Ямамото, Ю. (2003). «Генерация поляритонов и генерация фотонов в полупроводниковом микрорезонаторе». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 100 (26): 15318–15323. Bibcode:2003ПНАС..10015318Д. Дои:10.1073 / pnas.2634328100. ЧВК  307565. PMID  14673089.
  2. ^ Имамоглу, А .; Ram, R.J .; Pau, S .; Ямамото, Ю. (1996). «Неравновесные конденсаты и лазеры без инверсии: экситон-поляритонные лазеры». Phys. Ред. А. 53 (6): 4250–4253. Bibcode:1996PhRvA..53.4250I. Дои:10.1103 / PhysRevA.53.4250. PMID  9913395.
  3. ^ Kasprzak, J .; Ричард, М .; Kundermann, S .; Baas, A .; Jeambrun, P .; Килинг, Дж. М. Дж .; Marchetti, F.M .; Szymańska, M. H .; Андре, Р.; Staehli, J. L .; Савона, В .; Littlewood, P. B .; Дево, Б .; Данг, Л. С. (2006). «Бозе-эйнштейновская конденсация экситонных поляритонов». Природа. 443 (7110): 409–414. Bibcode:2006Натура.443..409K. Дои:10.1038 / природа05131. PMID  17006506.
  4. ^ Bhattacharya, P .; Xiao, B .; Das, A .; Bhowmick, S .; Хео, Дж. (2013). "Твердотельный электрически инжектированный экситон-поляритонный лазер". Письма с физическими проверками. 110 (20): 206403. Bibcode:2013ПхРвЛ.110т6403Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.206403. PMID  25167434.
  5. ^ Schneider, C .; Рахими-Иман, А .; Kim, N. Y .; Фишер, Дж .; Савенко, И.Г .; Amthor, M .; Lermer, M .; Wolf, A .; Worschech, L .; Кулаковский, В. Д .; Шелых, И. А .; Камп, М .; Reitzenstein, S .; Forchel, A .; Yamamoto, Y .; Хёфлинг, С. (2013). «Поляритонный лазер с электрической накачкой». Природа. 497 (7449): 348–352. Bibcode:2013Натура.497..348S. Дои:10.1038 / природа12036. PMID  23676752.
  6. ^ Christopoulos, S .; von Högersthal, G. B.H .; Grundy, A.J.D .; Lagoudakis, P.G .; Кавокин, А.В.; Баумберг, Дж. Дж.; Christmann, G .; Масло сливочное.; Feltin, E .; Carlin, J.-F .; Гранджин, Н. (2007). «Генерация поляритонов при комнатной температуре в полупроводниковых микрорезонаторах». Phys. Rev. Lett. 98 (12): 126405. Bibcode:2007PhRvL..98l6405C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.98.126405. PMID  17501142.
  7. ^ Джонстон, Хэмиш (27 мая 2007 г.). «Поляритонный лазер достигает комнатной температуры». Мир физики.
  8. ^ Университет Вюрцбурга (16 мая 2013 г.). «Лазер нового типа».
  9. ^ «Новый способ получения лазерных лучей с использованием в 250 раз меньше энергии - Новости Мичиганского университета».