@phdthesis{Fischer2015,
  author    = {Fischer, Julian},
  title     = {Koh{\"a}renz- und Magnetfeldmessungen an Polariton-Kondensaten unterschiedlicher r{\"a}umlicher Dimensionen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-149488},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Die Bose-Einstein-Kondensation (BEK) und die damit verbundenen Effekte wie Superfluidit{\"a}t und Supraleitung sind faszinierende Resultate der Quantennatur von Bosonen. Nachdem die Bose-Einstein-Kondensation f{\"u}r Atom-Systeme nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt realisierbar ist, was einen enormen technologischen Aufwand ben{\"o}tigt, wurden Bosonen mit wesentlich kleineren Massen zur Untersuchung der BEK gesucht. Hierf{\"u}r bieten sich Quasiteilchen in Festk{\"o}rpern wie Magnonen oder Exzitonen an, da deren effektive Massen sehr klein sind und die Kondensationstemperatur dementsprechend h{\"o}her ist als f{\"u}r ein atomares System. Ein weiteres Quasiteilchen ist das Exziton-Polariton als Resultat der starken Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleitermikrokavit{\"a}ten, welches sowohl Materie- als auch Photoneigenschaften hat und dessen Masse theoretisch eine BEK bis Raumtemperatur erlaubt. Ein weiterer Vorteil dieses System ist die einfache Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats in diesen Systemen durch elektrisches oder optisches Injizieren von Exzitonen in die Halbleiter-Quantenfilme der Struktur. Außerdem kann die Impulsraumverteilung dieser Quasiteilchen leicht durch einfache experimentelle Methoden mittels eines Fourierraumspektroskopie-Aufbaus bestimmt werden. Durch die winkelabh{\"a}ngige Messung der Emission kann direkt auf die Impulsverteilung der Exziton-Polaritonen in der Quantenfilmebene zur{\"u}ckgerechnet werden, die zur Identifikation der BEK hilfreich ist. Deshalb wird das Exziton-Polariton als ein Modellsystem f{\"u}r die Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensation in Festk{\"o}rpern und den damit in Relation stehenden Effekten angesehen. In dieser Arbeit wird die Grundzustandskondensation von Exziton-Polaritonen in Halbleitermikrokavit{\"a}ten verschiedener Dimensionen realisiert und deren Emissionseigenschaften untersucht. Dabei wird vor allem die Wechselwirkung des Polariton-Kondensats mit der der unkondensierten Polaritonen bzw. der Quantenfilm-Exzitonen im externen Magnetfeld verglichen und ein Nachweis zum Erhalt der starken Kopplung {\"u}ber die Polariton-Kondensationsschwelle hinaus entwickelt. Außerdem werden die Koh{\"a}renzeigenschaften von null- und eindimensionalen Polariton-Kondensaten durch Bestimmung der Korrelationsfunktion erster beziehungsweise zweiter Ordnung analysiert. Als Materialsystem werden hierbei die III/V-Halbleiter gew{\"a}hlt und die Quantenfilme bestehen bei allen Messungen aus GaAs, die von einer AlAs Kavit{\"a}t umgeben sind. Eindimensionale Polariton-Kondensation - r{\"a}umliche Koh{\"a}renz der Polariton-Dr{\"a}hte Im ersten experimentellen Teil dieser Arbeit (Kapitel 1) wird die Kondensation der Polaritonen in eindimensionalen Dr{\"a}hten unter nicht-resonanter optischer Anregung untersucht. Dabei werden verschiedene Drahtl{\"a}ngen und -breiten verwendet, um den Einfluss des zus{\"a}tzlichen Einschlusses auf die Polariton-Dispersion bestimmen zu k{\"o}nnen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein eindimensionales Bose-Einstein-Kondensat mit einer konstanten r{\"a}umlichen Koh{\"a}renz nach dem zentralen Abfall der g^(1)(r)-Funktion f{\"u}r große Abst{\"a}nde r in diesen Dr{\"a}hten zu realisieren (sogenannte langreichweitige Ordnung im System, ODLRO (Abk{\"u}rzung aus dem Englischen off-diagonal long-range order). Durch Analyse der Fernfeldemissionseigenschaften k{\"o}nnen mehrere Polariton-{\"A}ste, der eindimensionale Charakter und die Polariton-Kondensation in 1D-Systemen nachgewiesen werden. Daraufhin wird die r{\"a}umliche Koh{\"a}renzfunktion g^(1)(r) mithilfe eines hochpr{\"a}zisen Michelson-Interferometer, das im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut wurde, bestimmt. Die g^(1)(r)-Funktion nimmt hierbei {\"u}ber große Abst{\"a}nde im Vergleich zur thermischen De-Broglie-Wellenl{\"a}nge einen konstanten Plateauwert an, der abh{\"a}ngig von der Anregungsleistung ist. Unterhalb der Polariton-Kondensationsschwelle (Schwellleistung P_S) ist kein Plateau sichtbar und die r{\"a}umliche Koh{\"a}renz ist nur im zentralen Bereich von unter |r| < 1 µm vorhanden. Mit ansteigender Anregungsleistung nimmt das zentrale Maximum in der Weite zu und es bildet sich das Plateau der g^(1)(r)-Funktion aus, das nur außerhalb des Drahtes auf Null abf{\"a}llt. Bei P=1,6P_S ist das Plateau maximal und betr{\"a}gt circa 0,15. Außerdem kann nachgewiesen werden, dass mit steigender Temperatur die Plateauh{\"o}he abnimmt und schließlich bei T=25K nicht mehr gemessen werden kann. Hierbei ist dann nur noch das zentrale Maximum der Koh{\"a}renzfunktion g^(1)(r) sichtbar. Weiterhin werden die Ergebnisse mit einer modernen mikroskopischen Theorie, die auf einem stochastischen Mastergleichungssystem basiert, verglichen, wodurch die experimentellen Daten reproduziert werden k{\"o}nnen. Im letzten Teil des Kapitels wird noch die Koh{\"a}renzfunktion g^(1)(r) im 1D-Fall mit der eines planaren Polariton-Kondensats verglichen (2D). Nulldimensionale Polariton-Kondensation - Kondensation und Magnetfeldwechselwirkung in einer Hybridkavit{\"a}t Im zweiten Teil der Arbeit wird die Polariton-Kondensation in einer neuartigen Hybridkavit{\"a}t untersucht. Der Aufbau des unteren Spiegels und der Kavit{\"a}t inklusive der 12 verwendeten Quantenfilme ist analog zu den gew{\"o}hnlichen Mikrokavit{\"a}ten auf Halbleiterbasis. Der obere Spiegel jedoch besteht aus einer Kombination von einem DBR (Abk{\"u}rzung aus dem Englischen distributed Bragg reflector) und einem Brechungsindexkontrast-Gitter mit einem Luft-Halbleiter{\"u}bergang (gr{\"o}ßt m{\"o}glichster Brechungsindexkontrast). Durch die quadratische Strukturgr{\"o}ße des Gitters (Seitenl{\"a}nge 5µm) sind die Polaritonen zus{\"a}tzlich zur Wachstumsrichtung noch in der Quantenfilmebene eingesperrt, so dass sie als nulldimensional angesehen werden k{\"o}nnen (Einschluss auf der ungef{\"a}hren Gr{\"o}ße der thermischen De-Broglie-Wellenl{\"a}nge). Um den Erhalt der starken Kopplung {\"u}ber die Kondensationsschwelle hinaus nachweisen zu k{\"o}nnen, wird ein Magnetfeld in Wachstumsrichtung angelegt und die diamagnetische Verschiebung des Quantenfilms mit der des 0D-Polariton-Kondensats verglichen. Hierdurch kann das Polariton-Kondensat von dem konventionellen Photonlasing in solchen Strukturen unterschieden werden. Weiterhin wird als letztes Unterscheidungsmerkmal zwischen Photonlasing und Polariton-Kondensation eine Messung der Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung g^(2)(t) durchgef{\"u}hrt. Dabei kann ein Wiederanstieg des g^(2)(t = 0)-Werts mit ansteigender Anregungsleistung nachgewiesen werden, nachdem an der Kondensationsschwelle der g^(2)(t = 0)-Wert auf 1 abgefallen ist, was auf eine zeitliche Koh{\"a}renzzunahme im System hinweist. Oberhalb der Polariton-Kondensationsschwelle P_S steigt der g^(2)(t = 0)-Wert wieder aufgrund zunehmender Dekoh{\"a}renzprozesse, verursacht durch die im System ansteigende Polariton-Polariton-Wechselwirkung, auf Werte gr{\"o}ßer als 1 an. F{\"u}r einen gew{\"o}hnlichen Photon-Laser (VCSEL, Abk{\"u}rzung aus dem Englischen vertical-cavity surface-emitting laser) im monomodigen Betrieb kann mit steigender Anregungsleistung kein Wiederanstieg des g^(2)(t = 0)-Werts gemessen werden. Somit stellt dies ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zwischen Polariton-Kondensation und Photonlasing dar. Zweidimensionale Polariton-Kondensation - Wechselwirkung mit externem Magnetfeld Im letzten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird die Magnetfeldwechselwirkung der drei m{\"o}glichen Regime der Mikrokavit{\"a}tsemission einer planaren Struktur (zweidimensional) untersucht. Dazu werden zuerst durch eine Leistungsserie bei einer Verstimmung des Photons und des Quantenfilm-Exzitons von d =-6,5meV das lineare, polaritonische Regime, das Polariton-Kondensat und bei weiterer Erh{\"o}hung der Anregungsleistung das Photonlasing identifiziert. Diese drei unterschiedlichen Regime werden daraufhin im Magnetfeld von B=0T-5T auf ihre Zeeman-Aufspaltung und ihre diamagnetische Verschiebung untersucht und die Ergebnisse der Magnetfeldwechselwirkung werden anschließend miteinander verglichen. Im linearen Regime kann die Abh{\"a}ngigkeit der Zeeman-Aufspaltung und der diamagnetischen Verschiebung vom exzitonischen Anteils des Polaritons best{\"a}tigt werden. Oberhalb der Polariton-Kondensationsschwelle wird eine gr{\"o}ßere diamagnetische Verschiebung gemessen als f{\"u}r die gleiche Verstimmung im linearen Regime. Dieses Verhalten wird durch Abschirmungseffekte der Coulomb-Anziehung von Elektronen und L{\"o}chern erkl{\"a}rt, was in einer Erh{\"o}hung des Bohrradius der Exzitonen resultiert. Auch die Zeeman-Aufspaltung oberhalb der Polariton-Kondensationsschwelle zeigt ein vom unkondensierten Polariton abweichendes Verhalten, es kommt sogar zu einer Vorzeichenumkehr der Aufspaltung im Magnetfeld. Aufgrund der langen Spin-Relaxationszeiten von 300ps wird eine Theorie basierend auf der im thermischen Gleichgewichtsfall entwickelt, die nur ein partielles anstatt eines vollst{\"a}ndigen thermischen Gleichgewicht annimmt. So befinden sich die einzelnen Spin-Komponenten im Gleichgewicht, w{\"a}hrend zwischen den beiden Spin-Komponenten kein Gleichgewicht vorhanden ist. Dadurch kann die Vorzeichenumkehr als ein Zusammenspiel einer dichteabh{\"a}ngigen Blauverschiebung jeder einzelner Spin-Komponente und der Orientierung der Spins im Magnetfeld angesehen werden. F{\"u}r das Photonlasing kann keine Magnetfeldwechselwirkung festgestellt werden, wodurch verdeutlicht wird, dass die Messung der Zeeman-Aufspaltung beziehungsweise der diamagnetischen Verschiebung im Magnetfeld als ein eindeutiges Werkzeug zur Unterscheidung zwischen Polariton-Kondensation und Photonlasing verwendet werden kann.},
  subject      = {Exziton-Polariton},
  language  = {de}
}