Excitón-polaritón
Cuasipartícula de materia-luz

En física , el excitón-polaritón es un tipo de polaritón ; una cuasipartícula híbrida de luz y materia que surge del fuerte acoplamiento de las oscilaciones dipolares electromagnéticas de los excitones (ya sea en masa o en pozos cuánticos ) y los fotones . [1] Debido a que las excitaciones de la luz se observan clásicamente como fotones , que son partículas sin masa, no tienen masa , como una partícula física. Esta propiedad los convierte en una cuasipartícula .

Teoría

El acoplamiento de los dos osciladores, los modos de fotones en la microcavidad óptica semiconductora y los excitones de los pozos cuánticos , da como resultado el anticruce de energía de los osciladores desnudos, dando lugar a los dos nuevos modos normales para el sistema, conocidos como resonancias (o ramas) de polaritón superior e inferior. El cambio de energía es proporcional a la fuerza de acoplamiento (dependiente, por ejemplo, de los solapamientos de campo y polarización). El modo de mayor energía o superior (UPB, rama de polaritón superior) se caracteriza por los campos fotónicos y de excitones que oscilan en fase, mientras que el modo LPB (rama de polaritón inferior) se caracteriza por oscilar con oposición de fase. Los excitones-polaritones de microcavidades heredan algunas propiedades de sus dos raíces, como una masa efectiva para la luz (de los fotones) y una capacidad de interactuar entre sí (de las fuertes no linealidades de los excitones) y con el entorno (incluidos los fonones internos , que proporcionan termalización, y el desacoplamiento por pérdidas radiativas). En la mayoría de los casos, las interacciones son repulsivas, al menos entre cuasipartículas de polaritones del mismo tipo de espín (interacciones intraespín) y el término de no linealidad es positivo (aumento de la energía total, o corrimiento al azul, al aumentar la densidad). [2]

Los investigadores también estudiaron el transporte de largo alcance en materiales orgánicos vinculados a microcavidades ópticas y demostraron que los excitones-polaritones se propagan a lo largo de varios micrones. [3] Esto se hizo con el fin de demostrar que los excitones-polaritones se propagan a lo largo de varios micrones y que la interacción entre el desorden molecular y las correlaciones de largo alcance inducidas por la mezcla coherente con la luz conduce a una transición de movilidad entre el transporte difusivo y balístico. [4]

Otras características

Los polaritones también se caracterizan por relaciones de dispersión de energía - momento no parabólicas , que limitan la validez de la aproximación de masa efectiva parabólica a un pequeño rango de momentos. [5] También tienen un grado de libertad de espín , lo que los convierte en fluidos espinoriales capaces de sostener diferentes texturas de polarización . Los excitones-polaritones son bosones compuestos que se puede observar que forman condensados ​​de Bose-Einstein , [6] [7] [8] [9] y sostienen la superfluidez de polaritones y vórtices cuánticos [10] y se prospectan para aplicaciones tecnológicas emergentes. [11] Muchos trabajos experimentales se centran actualmente en láseres de polaritones , [12] transistores direccionados ópticamente , [13] estados no lineales como solitones y ondas de choque, propiedades de coherencia de largo alcance y transiciones de fase , vórtices cuánticos y patrones espinoriales. La modelización de fluidos excitón-polaritón se basa principalmente en el uso de GPE ( ecuaciones de Gross-Pitaevskii ), que tienen la forma de ecuaciones de Schrödinger no lineales . [14]

Véase también

Referencias

  1. ^ SI Pekar (1958). "Teoría de las ondas electromagnéticas en un cristal con excitones". Revista de Física y Química de Sólidos . 5 (1–2): 11–22. Bibcode :1958JPCS....5...11P. doi :10.1016/0022-3697(58)90127-6.
  2. ^ Vladimirova, M; et al. (2010). "Constantes de interacción polaritón-polaritón en microcavidades". Physical Review B . 82 (7): 075301. Bibcode :2010PhRvB..82g5301V. doi :10.1103/PhysRevB.82.075301.
  3. ^ Georgi Gary Rozenman; Katherine Akulov; Adina Golombek; Tal Schwartz (2018). "Transporte de largo alcance de excitones-polaritones orgánicos revelado por microscopía ultrarrápida". ACS Photonics . 5 (1): 105–110. doi :10.1021/acsphotonics.7b01332.
  4. ^ Balasubrahmaniyam; Arie Simkhovich; Adina Golombek; Gal Sandik; Guy Ankonina; Tal Schwartz (2023). "De la difusión mejorada al movimiento balístico ultrarrápido de excitaciones híbridas de luz y materia". Nature Materials . 22 (3): 338. arXiv : 2205.06683 . doi :10.1038/s41563-022-01463-3.
  5. ^ Pinsker, F.; Ruan, X.; Alexander, T. (2017). "Efectos de la energía cinética no parabólica en condensados ​​de polaritones fuera de equilibrio". Scientific Reports . 7 (1891): 1891. arXiv : 1606.02130 . Bibcode :2017NatSR...7.1891P. doi :10.1038/s41598-017-01113-8. PMC 5432531 . PMID  28507290. 
  6. ^ Deng, H (2002). "Condensación de polaritones de excitones en microcavidades de semiconductores". Science . 298 (5591): 199–202. Bibcode :2002Sci...298..199D. doi :10.1126/science.1074464. PMID  12364801. S2CID  21366048.
  7. ^ Kasprzak, J (2006). "Condensación de Bose-Einstein de polaritones de excitones". Nature . 443 (7110): 409–14. Bibcode :2006Natur.443..409K. doi :10.1038/nature05131. PMID  17006506.
  8. ^ Deng, H (2010). "Condensación de Bose-Einstein de excitón-polaritón". Reseñas de Física Moderna . 82 (2): 1489–1537. Bibcode :2010RvMP...82.1489D. doi :10.1103/RevModPhys.82.1489. S2CID  122733835.
  9. ^ Byrnes, T.; Kim, NY; Yamamoto, Y. (2014). "Condensados ​​de excitón-polaritón". Nature Physics . 10 (11): 803. arXiv : 1411.6822 . Código Bibliográfico :2014NatPh..10..803B. doi :10.1038/nphys3143.
  10. ^ Dominici, L; Dagvadorj, G; Fellows, JM; et al. (2015). "Dinámica de vórtices y semivórtices en un fluido cuántico de espinor no lineal". Science Advances . 1 (11): e1500807. arXiv : 1403.0487 . Bibcode :2015SciA....1E0807D. doi : 10.1126/sciadv.1500807 . PMC 4672757 . PMID  26665174. 
  11. ^ Sanvitto, D.; Kéna-Cohen, S. (2016). "El camino hacia los dispositivos polaritónicos". Nature Materials . 15 (10): 1061–73. Bibcode :2016NatMa..15.1061S. doi :10.1038/nmat4668. PMID  27429208.
  12. ^ Schneider, C.; Rahimi-Iman, A.; Kim, NY; et al. (2013). "Un láser polaritón bombeado eléctricamente". Nature . 497 (7449): 348–352. Bibcode :2013Natur.497..348S. doi :10.1038/nature12036. PMID  23676752.
  13. ^ Ballarini, D.; De Giorgi, M.; Cancellieri, E.; et al. (2013). "Transistor de polariton totalmente óptico". Comunicaciones de la naturaleza . 4 (2013): 1778. arXiv : 1201.4071 . Código Bib : 2013NatCo...4E1778B. doi : 10.1038/ncomms2734 . PMID  23653190.
  14. ^ Moxley, Frederick Ira; Byrnes, Tim; Ma, Baoling; Yan, Yun; Dai, Weizhong (2015). "Un esquema G-FDTD para resolver ecuaciones de Gross-Pitaevskii disipativas abiertas multidimensionales". Journal of Computational Physics . 282 : 303–316. Bibcode :2015JCoPh.282..303M. doi :10.1016/j.jcp.2014.11.021. ISSN  0021-9991.
  • Animación de YouTube que explica qué es un polaritón en un microresonador semiconductor.
  • Descripción de la investigación experimental sobre fluidos polaritones en el Instituto de Nanotecnologías del CNR italiano.
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