@phdthesis{Klaas2019,
  author    = {Klaas, Martin},
  title     = {Spektroskopische Untersuchungen an elektrisch und optisch erzeugten Exziton-Polariton-Kondensaten},
  doi       = {10.25972/OPUS-17689},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-176897},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Eine technologisch besonders vielversprechende Art von Mikrokavit{\"a}ten besteht aus einem optisch aktiven Material zwischen zwei Spiegeln, wobei das Licht auf Gr{\"o}ße seiner Wellenl{\"a}nge eingesperrt wird. Mit diesem einfachen Konzept Licht auf Chipgr{\"o}ße einzufangen entstand die M{\"o}glichkeit neue Ph{\"a}nomene der Licht-Materie Wechselwirkung zu studieren. Der Oberfl{\"a}chenemitter (VCSEL), welcher sich das ver{\"a}nderte Strahlungsverhalten aufgrund der schwachen Kopplung und stimulierten Emission zu Nutze macht, ist bereits l{\"a}nger kommerziell sehr erfolgreich. Er umfasst ein erwartetes Marktvolumen von ca. 5.000 Millionen Euro bis 2024, welches sich auf verschiedenste Anwendungen im Bereich von Sensorik und Kommunikationstechnologie bezieht. Dauerhaft hohe Wachstumsraten von 15-20\% pro Jahr lassen auf weiteres langfristiges Potential von Mikrokavit{\"a}ten in der technologischen Gesellschaft der n{\"a}chsten Generation hoffen. Mit fortschreitender Entwicklung der Epitaxie-Verfahren gelang es Kavit{\"a}ten solcher Qualit{\"a}t herzustellen, dass zum ersten Mal das Regime der starken Kopplung erreicht wurde. Starke Kopplung bedeutet in diesem Fall die Bildung eines neuen Quasiteilchens zwischen Photon und Exziton, dem Exziton-Polariton (Polariton). Dieses Quasiteilchen zeigt eine Reihe interessanter Eigenschaften, welche sowohl aus der Perspektive der Technologie, als auch aus der Sicht von Grundlagenforschung interessant sind. Bei systemabh{\"a}ngigen Teilchendichten erlaubt das Polariton ebenfalls die Erzeugung von koh{\"a}rentem Licht {\"u}ber den Exziton-Polariton-Kondensatszustand (Kondensat), den Polariton-Laser. Die Eigenschaften des emittierten Lichtes {\"a}hneln denen eines VCSELs, allerdings bei einigen Gr{\"o}ßenordnungen geringerem Energieverbrauch, bzw. niedrigerer Laserschwelle, bei Wahl geeigneter Verstimmung von Exziton und Photon. Diese innovative Entwicklung kann daher unter anderem neue M{\"o}glichkeiten f{\"u}r besonders energiesparende Anwendungen in der Photonik er{\"o}ffnen. Die vorliegende Doktorarbeit soll zur Erweiterung des Forschungsstandes in diesem Gebiet zwischen Photonik und Festk{\"o}rperphysik beitragen und untersucht zum einen den anwendungsorientierten Teil des Feldes mit Studien zur elektrischen Injektion, beleuchtet aber auch den interessanten Phasen{\"u}bergang des Systems {\"u}ber seine Koh{\"a}renz- und Spineigenschaften. Es folgt eine knappe {\"u}berblicksartige Darstellung der Ergebnisse, die in dieser Arbeit genauer ausgearbeitet werden. Rauschanalyse und die optische Manipulation eines bistabilen elektrischen Polariton-Bauelements Aufbauend auf der Realisierung eines elektrischen Polariton-Lasers wurde in dieser Arbeit ein optisches Potential in das elektrisch betriebene Kondensat mit einem externen Laser induziert. Dieses optische Potential erm{\"o}glicht die Manipulation der makroskopischen Besetzung der Grundzustandswellenfunktion, welches sich als ver{\"a}ndertes Emissionsbild im Realraum darstellt. Der polaritonische Effekt wird {\"u}ber Verschiebung der Emissionslinie zu h{\"o}heren Energien durch Wechselwirkung des Exzitonanteils nachgewiesen. Diese experimentellen Beobachtungen konnten mit Hilfe eines Gross-Pitaevskii-Differentialgleichungsansatzes erl{\"a}utert und theoretisch nachgebildet werden. Weiterhin zeigt der elektrische Polariton-Laser eine Bistabilit{\"a}t in seiner Emissionskennlinie an der polaritonischen Kondensationsschwelle. Die Hysterese hat ihren physikalischen Ursprung in der Lebenszeitabh{\"a}ngigkeit der Ladungstr{\"a}ger von der Dichte des Ladungstr{\"a}gerreservoirs durch die progressive Abschirmung des inneren elektrischen Feldes. In dieser Arbeit wird zum tieferen Verst{\"a}ndnis der Hysterese ein elektrisches Rauschen {\"u}ber den Anregungsstrom gelegt. Dieses elektrische Rauschen befindet sich auf der Mikrosekunden-Zeitskala und beeinflusst die Emissionscharakteristik, welche durch die Lebensdauer der Polaritonen im ps-Bereich bestimmt wird. Mit steigendem Rauschen wird ein Zusammenfall der Hysterese beobachtet, bis die Emissionscharakteristik monostabil erscheint. Diese experimentellen Befunde werden mit einem gekoppelten Ratengleichungssystem sowie mit Hilfe einer Gauss-verteilten Zufallsvariable in der Anregung modelliert und erkl{\"a}rt. Die Hysterese erm{\"o}glicht außerdem den Nachweis eines optischen Schalteffekts {\"u}ber eine zus{\"a}tzliche Ladungstr{\"a}gerinjektion mit einem Laser weit {\"u}ber der Bandkante des Systems, um den positiven R{\"u}ckkopplungseffekt zu erzeugen. Im Bereich der Hysterese wird das System auf den unteren Zustand elektrisch angeregt und dann mit Hilfe eines nicht-resonanten Laserpulses in den Kondensatszustand gehoben. Polaritonfluss geleitet durch Kontrolle der lithographisch definierten Energielandschaft Polaritonen k{\"o}nnen durch den photonischen Anteil weiterhin in Wellenleiterstrukturen eingesperrt werden, worin sie bei der Kondensation gerichtet entlang des Kanals mit nahe Lichtgeschwindigkeit fließen. Dies geschieht mit der Besonderheit {\"u}ber ihren Exzitonanteil stark wechselwirken zu k{\"o}nnen. Die M{\"o}glichkeit durch Lithographie solche eindimensionalen Kan{\"a}le zu definieren, wurde bereits in verschiedenen Prototypen f{\"u}r Polaritonen benutzt und untersucht. In dieser Arbeit werden zwei verschiedene, neue Ans{\"a}tze zur Lenkung von gerichtetem Polaritonfluss vorgestellt: zum einen {\"u}ber die sogenannte Josephson-Kopplung zwischen zwei Wellenleitern, realisiert {\"u}ber halbge{\"a}tzte Spiegel und zum anderen {\"u}ber eine Mikroscheibe gekoppelt an zwei Wellenleiter. Der Begriff der Josephson-Kopplung ist hier angelehnt an den bekannten Effekt in Supraleitern, welcher ph{\"a}nomenologische {\"A}hnlichkeiten aufweist. Die Verwendung in der Polaritonik ist historisch gewachsen. Die Josephson-Kopplung erm{\"o}glicht die Beobachung von Oszillationen des Polariton-Kondensats zwischen den Wellenleitern, in Abh{\"a}ngigkeit der verbleibenden Anzahl Spiegelpaare zwischen den Strukturen, wodurch eine definierte Selektion des Auskopplungsarms erm{\"o}glicht wird. Die Mikroscheibe funktioniert {\"a}hnlich einer Resonanztunneldiode. Sie erm{\"o}glicht eine Energieselektion der transmittierten Moden durch die Diskretisierung der Zust{\"a}nde in den niederdimensionalen Strukturen. Es ergibt sich die Bedingung, dass nur energetisch gleiche Niveaus zwischen Struktur{\"u}berg{\"a}ngen koppeln k{\"o}nnen. Gleichzeitig erlaubt die Mikroscheibenanordnung eine Umkehrung der Flussrichtung. Koh{\"a}renzeigenschaften und die Photonenstatistik von Polariton-Kondensaten unter photonischen Einschlusspotentialen Die Koh{\"a}renzeigenschaften der Emission von Polariton-Kondensaten ist seit l{\"a}ngerem ein aktives Forschungsfeld. Die noch ausstehenden Fragen betreffen die Beobachtung hoher Abweichungen von traditionellen, auf Inversion basierenden Lasersystemen (z.B. VCSELs). Diese haben selbst bei schwellenlosen Lasern einen Wert der Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung von Eins. Polariton-Kondensate jedoch zeigen erh{\"o}hte Werte in der Autokorrelationsfunktion, welches auf einen Mischzustand zwischen koh{\"a}rentem und thermischem Licht hinweist. In dieser Arbeit wurde ein systematischer Weg untersucht, die Koh{\"a}renzeigenschaften des Polariton-Kondensats denen eines traditionellen Lasers anzun{\"a}hern. Dies geschieht {\"u}ber den lateralen photonischen Einschluss der Kondensate mittels lithographisch definierter Mikrot{\"u}rmchen mit verschiedenen Durchmessern. In Koh{\"a}renzmessungen wird der Einfluss dieser Ver{\"a}nderung der Energielandschaft der Polariton-Kondensate auf die Autokorrelationseigenschaften zweiter Ordnung untersucht. Es wird ein direkter Zusammenhang zwischen großem Einschlusspotential und guten Korrelationseigenschaften nachgewiesen. Der Effekt wird theoretisch {\"u}ber den ver{\"a}nderten Einfluss der Phononen auf das Polariton-Relaxationsverhalten erkl{\"a}rt. Durch die st{\"a}rkere Lokalisierung der Polaritonwellenfunktion in kleineren Mikrot{\"u}rmchen wird die Streuwahrscheinlichkeit erh{\"o}ht, was eine effizientere Relaxation in den Grundzustand erm{\"o}glicht. Dies verhindert zu starke Besetzungsfluktuationen der Grundmode in der Polariton-Lebenszeit, was bisher als Grund f{\"u}r die erh{\"o}hte Autokorrelation postuliert wurde. Weiterhin wird eine direkte Messung der Photonenstatistik eines Polaritonkondensats entlang steigender Polaritondichte im Schwellbereich vorgestellt. Die Photonenstatistik eines thermischen Emitters zeigt einen exponentiellen Verlauf, w{\"a}hrend ein reiner Laser Poisson-verteilt emittiert. Der Zwischenbereich, der f{\"u}r einen Laser am {\"U}bergang zwischen thermischer und koh{\"a}renter Lichtquelle vorhergesagt wird, kann durch eine {\"U}berlagerung der beiden Zust{\"a}nde beschrieben werden. {\"U}ber eine Anpassungsfunktion der gemessenen Verteilungsfunktionen kann der Phasen{\"u}bergang des Kondensats mit Hilfe dem Anteil der koh{\"a}renten Partikel im System verfolgt werden. Dadurch, dass der gemessene {\"U}bergang dem Paradigma der thermisch-koh{\"a}renten Zust{\"a}nde folgt, wurde nachgewiesen, dass bei r{\"o}tlicher Verstimmung die Interaktionen keinen signifikanten Anteil an der Ausbildung von Koh{\"a}renz im Polaritonsystem spielen. Polarisationskontrolle von Polariton-Kondensaten Die Polarisationseigenschaften des durch Polaritonenzerfall emittierten Lichts korrespondieren zum Spinzustand der Quasiteilchen. Unterhalb der Kondensationsschwelle ist diese Emission durch Spin-Relaxation der Ladungstr{\"a}ger unpolarisiert und oberhalb der Schwelle bildet sich unter bestimmten Voraussetzungen lineare Polarisation als Ordnungsparameter des Phasen{\"u}bergangs aus. Der Prozess der stimulierten Streuung kann die (zirkulare) Polarisation des Lasers auch bei Anregung auf h{\"o}heren Energien auf dem unteren Polaritonast erhalten. Dies resultiert aus sehr schneller Einnahme des Grundzustands, welche eine Spin-Relaxation verhindert. Bisher wurde, nach unserem Kenntnisstand, nur teilweise Erhaltung zirkularer Polarisation unter nicht-resonanter Anregung beobachtet. In dieser Arbeit wird vollst{\"a}ndige zirkulare Polarisationserhaltung, energetisch 130 meV vom Kondensatszustand entfernt angeregt, nachgewiesen. Diese Polarisationserhaltung setzt an der Kondensationsschwelle ein, was auf den Erhalt durch stimulierte Streuung hinweist. Unter dieser Voraussetzung der Spinerhaltung erzeugt die linear polarisierte Anregung (als {\"U}berlagerung zirkularem Lichts beider Orientierungen) elliptisch polarisiertes Licht. Dies geschieht, weil eine linear polarisierte Anregung durch Fokussierung eines Objektivs leicht elliptisch wird. Der Grad der Elliptizit{\"a}t wird sowohl durch die Verstimmung zwischen Photon und Exziton Mode beeinflusst, als auch durch die Dichte im System. Dies kann erkl{\"a}rt werden {\"u}ber das spezielle Verhalten der Relaxationsprozesse auf dem unteren Polaritonast, welche von der transversal-elektrischen und transversal-magnetischen (TE-TM) energetischen Aufspaltung abh{\"a}ngen. Weiterhin werden elliptische Mikrot{\"u}rmchen untersucht, um den Einfluss dieses asymmetrischen photonischen Einschlusses auf die Kondensatseigenschaften herauszuarbeiten. Die Ellipse zwingt das Kondensat zu einer linearen Polarisation, welche sich entlang der langen Achse des T{\"u}rmchens ausrichtet. In asymmetrischen Mikrot{\"u}rmchen ist die Grundmode aufgespalten in zwei linear polarisierte Moden entlang der beiden orthogonal zueinander liegenden Hauptachsen, wobei die l{\"a}ngere Achse das linear polarisierte Energieminimum des Systems bildet. Der Grad der linearen Polarisation nimmt mit geringerem Mikrot{\"u}rmchendurchmesser und gr{\"o}ßerer Ellipzit{\"a}t zu. Dies geschieht durch erh{\"o}hten energetischen Abstand der beiden Moden. Bei Ellipsen mit einem langen Hauptachsendurchmesser von 2 Mikrometer und einem Achsenverh{\"a}ltnis von 3:2 kann ein nahezu vollst{\"a}ndig linear polarisierter Zustand eines Polariton-Kondensats nachgewiesen werden. Damit wurde erforscht, dass auch unter nicht-resonanter Anregung Exziton-Polariton-Kondensate experimentell und theoretisch jeglichen Spinzustand unter entsprechenden Anregungsbedingungen annehmen k{\"o}nnen.},
  subject      = {Exziton-Polariton},
  language  = {de}
}