Polariton laser

En polaritonlaser är en ny typ av laserkälla som utnyttjar den koherenta naturen hos Bose-kondensat av exciton-polaritoner i halvledare för att uppnå ultralågt tröskelvärde.

År 1996, Imamoglu et al. föreslog en sådan ny typ av koherent ljuskälla och förklarade konceptet baserat på en effekt som är nära relaterad till Bose–Einstein-kondensering av atomer: Ett stort antal bosoniska partiklar (här: polaritoner ) bildar ett kondensat i ett makroskopiskt upptaget kvanttillstånd via stimulerad spridning . Kondensatet av polaritoner ger slutligen koherent emission av ljus. Således är det en sammanhängande ljuskälla som äger en annan arbetsmekanism jämfört med konventionella laserenheter. På grund av sin princip lovar en polariton-laser en mer energieffektiv laseroperation. Den typiska halvledarstrukturen för en sådan laser består av en optisk mikrokavitet placerad mellan fördelade Bragg-reflektorer .

En tidig demonstration av polaritonisk lasring och en jämförelse med konventionell lasring uppnåddes 2003 av H. Deng et al. vid Stanford University under optisk excitation (Polaritonisk kondensering kopplades senare helt till dynamisk Bose–Einstein-kondensering 2006 av Kasprzak et al. ). Elektrisk pumpning av en polaritonlaser – avgörande för praktisk användning av polaritoniska ljuskällor – demonstrerades dock inte förrän 2013 när den första och entydiga demonstrationen av en elektriskt pumpad polaritonlaser presenterades av ett team av forskare från University of Michigan och av ett team från University of Würzburg tillsammans med sina internationella partners som använder liknande tekniker.

I detta skede arbetar den elektriskt drivna enheten vid mycket låga temperaturer runt 10 K och behöver ett magnetfält applicerat i Faraday-geometrin. Under 2007 demonstrerades till och med rumstemperaturdrift av en optiskt pumpad polaritonlaser, vilket lovade utvecklingen av framtida elektriskt pumpade polaritonlasrar för rumstemperaturapplikationer.

Det är viktigt och utmanande att skilja polaritonisk lasring från konventionell (fotonisk) lasring, på grund av liknande emissionsegenskaper. En avgörande del av framgången för båda lagen ligger i hybridkaraktären hos polaritoner vars materiakomponent (excitoner) uppvisar ett känsligt svar på ett externt magnetfält. Michigan-teamet ledd av Pallab Bhattacharya använde en kombination av moduleringsdopning av kvantbrunnarna i den aktiva regionen, för att förbättra polariton-elektronspridningen, och ett externt magnetfält för att förbättra polariton-fononspridningen och exciton-polaritonmättnadstätheten. Med dessa åtgärder uppnådde de en jämförbar låg polaritonlasertröskel på 12 A/cm ² (publicerad i Physical Review Letters i maj 2013). De undersökningar som gjordes av teamet i Würzburg, som började med idén att konstruera en elektrisk apparat 2007, ledde till önskad effekt efter några år i samarbete med deras internationella partners från USA, Japan, Ryssland, Singapore, Island och Tyskland . Slutligen kompletterades deras studier av ett avgörande experiment i ett magnetfält: en entydig verifiering av emissionslägets materiakomponent i den polaritoniska laserregimen gavs, vilket gav en experimentell demonstration för första gången av en elektriskt pumpad polaritonlaser av C. Schneider . , A. Rahimi-Iman och medförfattare i teamet av S. Höfling (publicerad i Nature i maj 2013).

Den 5 juni 2014 lyckades Bhattacharyas team skapa vad som tros vara den första polaritonlasern som drivs av elektrisk ström i motsats till ljus, och som också fungerar vid rumstemperatur, snarare än långt under noll.

Se även

• Plasmonisk laser
• Nanolaser