Blochoszillationen von Exziton-Polaritonen in topologischen Gittern

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Klembt; Professor Dr. Ulf Peschel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546922926

Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Einflusses einer lateralen Strukturierung auf die Dynamik von Exzitonen-Polaritonen, besonders im Hinblick auf Bloch-Oszllationen und topologische Effekte. In Halbleiterkavitäten, deren Transmissionsmaximum spektral in der Nähe der Exzitonenresonanz des in der Kavität eingeschlossenen Materials liegt, kommt es zu einer starken Kopplung zwischen Photonen und Exzitonen. Die Anregung, Dynamik und Relaxation der so entstehenden Quasiteilchen, der Exzitonen-Polaritonen, wird erheblich durch eine laterale Strukturierung der optischen Kavität beeinflusst. Eine periodische Modulation der Resonatorspiegel bewirkt, dass sich Exziton-Polaritonen ähnlich zu Elektronen in einem zweidimensionalen Festkörper verhalten. Da Exziton-Polaritonen anders als Elektronen bosonischer Natur sind, ermöglicht das, topologische Effekte in einem bosonischen Systemen zu untersuchen, das durch die Kopplung an das Lichtfeld vergleichsweise einfach experimentell zugänglich ist. In enger Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie konzentriert sich das Projekt auf die Untersuchung von Bloch-Oszillationen und topologischen Effekte in zweidimensional strukturierten Exziton-Polaritonen Systemen. Die Generation von Exziton-Polaritonen soll sowohl mittels einer inkohärenten, d.h. zur Resonanz stark blauverschobenen, als auch durch eine kohärente Anregung mit einer Laserwellenlänge nahe der Resonanz des optischen Systems erfolgen. Während im ersten, experimentell einfacher zu realisierenden Fall erst noch eine Kondensation in einen energetisch tieferliegenden Zustand erfolgen muss, erlaubt eine kohärente Anregung die direkte Injektion der gewünschten Quasi-Teilchen. Bei kohärenter Anregung können daher erheblich höhere Dichten von Quasiteilchen erzielt werden, so dass auch die abstoßende Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung relevant wird und mit in die Untersuchungen einbezogen werden muss. Ein besonderer Fokus des Projektes wird auf dem Einfluss von Brechzahlgradienten auf die Feldausbreitung in einer ansonsten periodischen Struktur gelegt werden. Im Vorgängerprojekt konnten wir bereits für eindimensionale Gitter das Auftreten von Bloch-Oszillationen nachweisen, d.h. gebildete Exzitonen-Polaritonen folgen nicht einfach dem Gradienten, sondern kehren wieder zum Ausgangspunkt zurück. Dabei führen sie Oszillationen im Fall eindimensionaler und komplexe periodische Bewegungen im Fall zweidimensionalen Gitter aus, wobei auch Übergänge in höhere Bänder vorkommen, das sogenannte Zenertunneln. Numerische Simulationen legen nahe, dass die Topologie des zugrunde liegenden Gitters hier eine entscheidende Rolle spielt, was im neuen Projekt näher untersucht werden soll. Das sich unter dem Einfluss der strukturierten Kavität ausbreitende Kondensat kann nun mittels Streakkamera beobachtet werden und die zwischenzeitlich realisierte kohärente Form der Anregung erlaubt jetzt auch die systematische Untersuchung nichtlinearer Effekte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen