Kohärenz- und Magnetfeldmessungen an Polariton-Kondensaten unterschiedlicher räumlicher Dimensionen

Coherence and magnetic field measurements on polariton-condensates in different spatial dimensions

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-149488
  • Die Bose-Einstein-Kondensation (BEK) und die damit verbundenen Effekte wie Superfluidität und Supraleitung sind faszinierende Resultate der Quantennatur von Bosonen. Nachdem die Bose-Einstein-Kondensation für Atom-Systeme nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt realisierbar ist, was einen enormen technologischen Aufwand benötigt, wurden Bosonen mit wesentlich kleineren Massen zur Untersuchung der BEK gesucht. Hierfür bieten sich Quasiteilchen in Festkörpern wie Magnonen oder Exzitonen an, da deren effektive Massen sehr klein sind undDie Bose-Einstein-Kondensation (BEK) und die damit verbundenen Effekte wie Superfluidität und Supraleitung sind faszinierende Resultate der Quantennatur von Bosonen. Nachdem die Bose-Einstein-Kondensation für Atom-Systeme nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt realisierbar ist, was einen enormen technologischen Aufwand benötigt, wurden Bosonen mit wesentlich kleineren Massen zur Untersuchung der BEK gesucht. Hierfür bieten sich Quasiteilchen in Festkörpern wie Magnonen oder Exzitonen an, da deren effektive Massen sehr klein sind und die Kondensationstemperatur dementsprechend höher ist als für ein atomares System. Ein weiteres Quasiteilchen ist das Exziton-Polariton als Resultat der starken Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleitermikrokavitäten, 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 winkelabhängige Messung der Emission kann direkt auf die Impulsverteilung der Exziton-Polaritonen in der Quantenfilmebene zurückgerechnet werden, die zur Identifikation der BEK hilfreich ist. Deshalb wird das Exziton-Polariton als ein Modellsystem für die Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensation in Festkörpern und den damit in Relation stehenden Effekten angesehen. In dieser Arbeit wird die Grundzustandskondensation von Exziton-Polaritonen in Halbleitermikrokavitäten 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 über die Polariton-Kondensationsschwelle hinaus entwickelt. Außerdem werden die Kohärenzeigenschaften von null- und eindimensionalen Polariton-Kondensaten durch Bestimmung der Korrelationsfunktion erster beziehungsweise zweiter Ordnung analysiert. Als Materialsystem werden hierbei die III/V-Halbleiter gewählt und die Quantenfilme bestehen bei allen Messungen aus GaAs, die von einer AlAs Kavität umgeben sind. Eindimensionale Polariton-Kondensation - räumliche Kohärenz der Polariton-Drähte Im ersten experimentellen Teil dieser Arbeit (Kapitel 1) wird die Kondensation der Polaritonen in eindimensionalen Drähten unter nicht-resonanter optischer Anregung untersucht. Dabei werden verschiedene Drahtlängen und -breiten verwendet, um den Einfluss des zusätzlichen Einschlusses auf die Polariton-Dispersion bestimmen zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, ein eindimensionales Bose-Einstein-Kondensat mit einer konstanten räumlichen Kohärenz nach dem zentralen Abfall der g^(1)(r)-Funktion für große Abstände r in diesen Drähten zu realisieren (sogenannte langreichweitige Ordnung im System, ODLRO (Abkürzung aus dem Englischen off-diagonal long-range order). Durch Analyse der Fernfeldemissionseigenschaften können mehrere Polariton-Äste, der eindimensionale Charakter und die Polariton-Kondensation in 1D-Systemen nachgewiesen werden. Daraufhin wird die räumliche Kohärenzfunktion g^(1)(r) mithilfe eines hochpräzisen Michelson-Interferometer, das im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut wurde, bestimmt. Die g^(1)(r)-Funktion nimmt hierbei über große Abstände im Vergleich zur thermischen De-Broglie-Wellenlänge einen konstanten Plateauwert an, der abhängig von der Anregungsleistung ist. Unterhalb der Polariton-Kondensationsschwelle (Schwellleistung P_S) ist kein Plateau sichtbar und die räumliche Kohärenz 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 abfällt. Bei P=1,6P_S ist das Plateau maximal und beträgt circa 0,15. Außerdem kann nachgewiesen werden, dass mit steigender Temperatur die Plateauhöhe abnimmt und schließlich bei T=25K nicht mehr gemessen werden kann. Hierbei ist dann nur noch das zentrale Maximum der Kohärenzfunktion 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 können. Im letzten Teil des Kapitels wird noch die Kohärenzfunktion g^(1)(r) im 1D-Fall mit der eines planaren Polariton-Kondensats verglichen (2D). Nulldimensionale Polariton-Kondensation - Kondensation und Magnetfeldwechselwirkung in einer Hybridkavität Im zweiten Teil der Arbeit wird die Polariton-Kondensation in einer neuartigen Hybridkavität untersucht. Der Aufbau des unteren Spiegels und der Kavität inklusive der 12 verwendeten Quantenfilme ist analog zu den gewöhnlichen Mikrokavitäten auf Halbleiterbasis. Der obere Spiegel jedoch besteht aus einer Kombination von einem DBR (Abkürzung aus dem Englischen distributed Bragg reflector) und einem Brechungsindexkontrast-Gitter mit einem Luft-Halbleiterübergang (größt möglichster Brechungsindexkontrast). Durch die quadratische Strukturgröße des Gitters (Seitenlänge 5µm) sind die Polaritonen zusätzlich zur Wachstumsrichtung noch in der Quantenfilmebene eingesperrt, so dass sie als nulldimensional angesehen werden können (Einschluss auf der ungefähren Größe der thermischen De-Broglie-Wellenlänge). Um den Erhalt der starken Kopplung über die Kondensationsschwelle hinaus nachweisen zu können, 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) durchgeführt. 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 Kohärenzzunahme im System hinweist. Oberhalb der Polariton-Kondensationsschwelle P_S steigt der g^(2)(t = 0)-Wert wieder aufgrund zunehmender Dekohärenzprozesse, verursacht durch die im System ansteigende Polariton-Polariton-Wechselwirkung, auf Werte größer als 1 an. Für einen gewöhnlichen Photon-Laser (VCSEL, Abkürzung 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 möglichen Regime der Mikrokavitätsemission 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 Erhöhung 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 Abhängigkeit der Zeeman-Aufspaltung und der diamagnetischen Verschiebung vom exzitonischen Anteils des Polaritons bestätigt werden. Oberhalb der Polariton-Kondensationsschwelle wird eine größere diamagnetische Verschiebung gemessen als für die gleiche Verstimmung im linearen Regime. Dieses Verhalten wird durch Abschirmungseffekte der Coulomb-Anziehung von Elektronen und Löchern erklärt, was in einer Erhöhung 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 vollständigen thermischen Gleichgewicht annimmt. So befinden sich die einzelnen Spin-Komponenten im Gleichgewicht, während zwischen den beiden Spin-Komponenten kein Gleichgewicht vorhanden ist. Dadurch kann die Vorzeichenumkehr als ein Zusammenspiel einer dichteabhängigen Blauverschiebung jeder einzelner Spin-Komponente und der Orientierung der Spins im Magnetfeld angesehen werden. Für 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.show moreshow less
  • Bose-Einstein-Condensation (BEC) and the associated effects, for instance superfluidity and superconductivity, are fascinating results of the bosonic quantum nature. Since Bose-Einstein-Condensation for atomic systems can only be realized with enormous technical and experimental effort at sufficient low temperatures near absolute zero, people are looking for bosons with smaller masses. For this quasi-particles in solid state systems such as magnons and excitons are perfect candidates, due to their smaller effective masses and as a consequenceBose-Einstein-Condensation (BEC) and the associated effects, for instance superfluidity and superconductivity, are fascinating results of the bosonic quantum nature. Since Bose-Einstein-Condensation for atomic systems can only be realized with enormous technical and experimental effort at sufficient low temperatures near absolute zero, people are looking for bosons with smaller masses. For this quasi-particles in solid state systems such as magnons and excitons are perfect candidates, due to their smaller effective masses and as a consequence thereof the higher Bose-Einstein-Condensation temperatures in comparison to atomic systems. Another quasi-particle is the exciton-polariton, originating from strong light-matter coupling in semiconductor microcavities. This particle has properties of the light as well as of the matter part and the mass is so small that in theory room temperature Bose-Einstein-Condensation is possible. A further benefit of this system is the relatively easy realization of the BEC by injecting excitons via optical or electrical excitation in the quantum wells of the structure. Additionally, the momentum space distribution of these quasi-particles can be measured via a straightforward Fourier-spectroscopy setup. By determination of the angular distribution of the emitted light of the microcavity, the momentum of the particle in the quantum-well plane can be defined. This information helps to identify the BEC-phase. On these grounds the exciton-polaritons are model systems for studying Bose-Einstein-Condensation and attributed phenomena in matter. In this work the ground-state condensation of exciton-polaritons is realized in microcavities of various dimensions and the emission properties of these are investigated. Thereby, especially the magnetic field interaction of the uncondensated and condensated polaritons will probed and resulting from this a proof concept for the persistence of the strong-coupling across the condensation threshold is developed. Additionally, the coherence properties of the polariton-condensates in different dimensions will be studied by determination of the first and second order correlation functions. For all experiments a III/V-semiconductor system consisting of GaAs quantum-wells and a surrounding AlAs cavity is used. One-dimensional polariton-condensation - spatial coherence of polariton-wires In the first experimental part (chapter 1), the polariton-condensation of one-dimensional wires under non-resonant, optical excitation is studied. For this, different length and width of wires are used to determine the influence on the polariton-dispersion of additional confinement. The aim of this investigation is to realize a one-dimensional Bose-Einstein-Condensate with a nearly constant plateau of the spatial coherence for high distances r after the central drop-down of the first order correlation g(1)(r)-function, which is a characteristic of the off-diagonal long-range order (ODLRO) of the system. By analysis of the farfield emission characteristics several polariton branches, the one-dimensionality and the polariton-condensation can be proved in this wires. After this, the spatial coherence function g^(1)(r) is measured with a high precision Michelson-interferometer, which is established during this work. The g^(1)(r)-function has, for distances essential greater than the thermal De-Broglie-wavelength of the polaritons, a plateau value which depends on the pumping power of the system. Below the polariton-condensation threshold (power P_S) no plateau is visible and coherence is only established within the central part for |r|<1µm of the interferograms. With increasing power, the width of the central coherence peak growth and the plateau of the g^(1)(r)-function appears, which is only absent away from the wire. At a power of P = 1.6P_S the plateau reaches its maximal value and it amounts to 0.15. Furthermore, it can be demonstrated, that as the temperature of the crystal lattice increases the plateau decreases and it vanishes at T = 25K indicating the loss of the off-diagonal long range coherence. This behavior can be explained by a modern microscopic theory based on the master-equation approach which fits the experimental data well. The last part of this chapter compares the characteristics of the first order correlation function g^(1)(r) in the 1D case with the spatial coherence function of the planar polariton-condensate of a similar structure (2D). Zero-dimensional polariton-condensation - condensation and magnetic field interaction in a hybrid cavity In the second part of this thesis, polariton-condensation in novel hybrid-cavities is investigated. The layout of the lower mirror and of the cavity with 12 embedded quantum wells is analog to normal semiconductor microcavities. However, the upper mirror consists of a combination of a DBR (distributed Bragg reflector) and a high refractive index contrast grating with a semiconductor air transition (highest possible refractive index contrast). Due to the fact that the grating has a quadratic structure (side length 5µm), the polaritons are additionally confined in the plane of the quantum wells perpendicular to the growth direction and can be treated as zero-dimensional particles. To prove the persistence of the strong coupling across the condensation threshold, a magnetic field is applied in the growth direction, in order that the diamagnetic shift of the polaritons below and above the condensation thresholds can be measured comparatively. With this the polariton-condensate can be distinguished from the conventional photonic lasing of the microcavity. As another way to distinguish between polariton- and photon-lasing the second order autocorrelation function g^(2)(t) of the system is determined. Here a re-increase of the g^(2)(t=0)-value can be shown with increasing excitation power, after the value dropped down to 1 at the condensation threshold of the system indicating the increase of temporal coherence. Far above the condensation-threshold P_S the g^(2)(t=0)-value increases to values higher than 1 due to the appearance of decoherence processes in the system caused by rising polariton-polariton-interaction. For a conventional single-mode photon-laser, as for instance VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser), this behavior is not expected and it is an additional criterion to distinguish between polariton-condensation and photon-lasing. Two-dimensional polariton-condensation - interaction with external magnetic fields In the last experimental chapter of this thesis, the magnetic field interaction of the three possible working regimes of the planar microcavity (2D) emission is analyzed. First power series at a exciton-photon detuning of d= -6.5meV are performed to identify the linear polaritonic regime, the polariton-condensate phase and the photonic lasing at sufficient high excitation powers. After that, the Zeeman splitting and the diamagnetic shift of these three regimes are investigated in an external magnetic field applied again in the growth direction and ranging from B= 0T to B=5T. The results are compared to each other. For the linear regime, the theoretic expected dependence of the Zeeman splitting and diamagnetic shift is confirmed. However, above the threshold in the polariton-condensate phase a higher diamagnetic shift compared to the linear regime is measured. This behavior can be explained by taking into account bleaching effects of the Coulomb interaction due to the high carrier density resulting in an increase of the Bohr radius of the excitons. Also for the Zeeman splitting a different behavior to the equilibrium theory is found. The sign of the magnetic field splitting is reversed in comparison to the linear regime. Due to long spin relaxation time in red detuned systems of about 300ps, a theory is developed based on a partial thermal equilibrium of the spin components of the condensate. Here the spin components are in equilibrium with themselves, but not with the other component. As a consequence, the sign reversal can be interpreted as an interplay of the density dependent blueshift of the single spin components and the orientation of the spins in the magnetic field. For the photonic lasing no magnetic field interaction is found, indicating that the measurement of the Zeeman splitting and the diamagnetic shift in an external magnetic field is a unique tool to distinguish between polariton-condensation and photon-lasing.show moreshow less

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Metadaten
Author: Julian Fischer
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-149488
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Physik und Astronomie
Faculties:Fakultät für Physik und Astronomie / Physikalisches Institut
Referee:Prof. Dr. Sven Höfling, Prof. Dr. Bert Hecht
Date of final exam:2017/05/26
Language:German
Year of Completion:2015
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik
GND Keyword:Exziton-Polariton; Bose-Einstein-Kondensation
Tag:Magnetfeld-Wechselwirkung; Optischer Resonator; Polariton; Polariton-Kondensation; nicht-diagonale langreichweitige Ordnung
PACS-Classification:70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 78.00.00 Optical properties, condensed-matter spectroscopy and other interactions of radiation and particles with condensed matter / 78.67.-n Optical properties of low-dimensional, mesoscopic, and nanoscale materials and structures
Release Date:2017/06/23
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand