Bose-Einstein-Kondensation und Supraflüssigkeit von Exziton-Polaritonen bei Raumtemperatur
Final Report Abstract
Die Forschung an Mikrokavitäts-Exziton-Polaritonen und deren makroskopischen Quantenzuständen hat sich in den letzten 10 Jahren sehr stark intensiviert und es ist ein breites Forschungsfeld in Hinblick auf Grundlagen aber auch potentielle Anwendungen entstanden. Bose-Einstein-Kondensate von Exziton-Polaritonen bilden ein experimentell relativ leicht zugängliches Beispielsystem für die Untersuchung von quantenmechanischen Effekten. So wurden z.B. Dirac-Kegel in einer Polariton-Bandstruktur beobachtet. Auf dem Weg zur optischen Quanteninformationsverarbeitung und Datentransport wurden Quantensimulatoren z.B. basierend auf Fibonacci-Quasiperiodischen Potentialen, optische Polariton-Transistoren und -Interferometer demonstriert. Trotzdem ist die Physik der Kavitäts-Exziton-Polaritonen und deren Bose-Einstein-Kondensate, die ein stark ausgeprägtes Nicht-Gleichgewichtssystem mit interessanten dynamischen Eigenschaften darstellen, bis heute noch nicht vollständig verstanden. So hat das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Etablierung der ZnO-basierten Mikrokavitäten geleistet. Dieses Material ist von besonderem Interesse da es aufgrund seiner hohen Exziton-Bindungsenergie Anwendungen bei Raumtemperatur erlaubt. Wir konnten in diesem Materialsystem zeitgleich mit einer französischen Gruppe erstmals Bose-Einstein-Kondensation erreichen. Wir haben auch erstmals für dieses System die Existenz eines Bose-Einstein-Kondensates über mehr als 100 ps nachweisen können, was eine wichtige Voraussetzung für mögliche Anwendungen ist. Durch Analyse der Kondensat-Eigenschaften haben wir erstmals einen Aspekt eines solchen Nicht-Gleichgewichts-Quantensystems, nämlich den Einfluss von internen Strömen auf die Phasenstabilität der Kondensat-Wellenfunktion, experimentell nachweisen und in Zusammenarbeit mit einer Theorie-Gruppe verstehen können. Wir konnten auch einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Kavitäts-Photon und -Polariton-Moden-Eigenschaften in optisch anisotropen Kavitäten liefern. Hier haben wir gefunden dass die Polarisation bzw. der Polariton-Pseudospin nicht-triviale Eigenschaften aufweist, was weitere Untersuchungen in Hinblick auf topologische Effekte motiviert. Die Ergebnisse des Projekts stimulieren neue Arbeiten in der eigenen Arbeitsgruppe, liefern aber auch einen wichtigen Beitrag zur Fortentwicklung des gesamten Forschungsgebietes.
Publications
- „Observation of strong exciton-photon coupling at temperatures up to 410 K”, New J. Phys. 11, 073044 (2009)
C. Sturm, H. Hilmer, R. Schmidt-Grund, and M. Grundmann
- „Observation of Strong Light-Matter Coupling by Spectroscopic Ellipsometry”, Superlattices and Microstructures 47, 19 (2010)
H. Hilmer, C. Sturm, R. Schmidt-Grund, B. Rheinländer, and M. Grundmann
- „Cavity-photon dispersion in 1D confined microresonators with an optically anisotropic cavity material”, Phys. Rev. B 83, 205301 (2011)
C. Sturm, H. Hilmer, B. Rheinländer, R. Schmidt-Grund, and M. Grundmann
- „Exciton-polaritons in a ZnO-based microcavity: polarization dependence and non-linear occupation”, New J. Phys. 13, 033014 (2011)
C. Sturm, H. Hilmer, R. Schmidt-Grund, and M. Grundmann
- „Ballistic propagation of exciton-polariton condensates in a ZnO-based microcavity”, New J. Phys. 14, 013037 (2012)
H. Franke, C. Sturm, R. Schmidt-Grund, G. Wagner, and M. Grundmann
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/1/013037) - „Cavity Polariton Condensate in a Disordered Environment”
M. Thunert, A. Janot, H. Franke, C. Sturm, T. Michalsky, M.D. Martin, L. Vina, B. Rosenow, M. Grundmann, and R. Schmidt-Grund
- „Discrete relaxation of exciton-polaritons in an inhomogeneous potential”
T. Michalsky, H. Franke, C. Sturm, M. Grundmann, and R. Schmidt-Grund
- „Maxwell consideration of polaritonic quasi-particle Hamiltonians in multi-level systems”, resubmitted to Appl. Phys. Lett. 107, 231104 (2015)
S. Richter, T. Michalsky, L. Fricke, C. Sturm, H. Franke, M. Grundmann, and R. Schmidt-Grund
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4937462)
