Strong and weak coupling in ZnSe-based monolithic microcavities with lateral confinement

• Applicants: Professor Dr. Detlef Hommel; Dr. Kathrin Sebald
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2008 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 63321440

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes gelang uns erstmals, die Herstellung einer Bragg-Polaritonenprobe basierend auf ZnSe-Quantenfilmen. Spektroskopisch ließ sich für dieses System das Regime der starken Kopplung nachweisen, und zwar bis zu einer Temperatur von 200 K mit einer Rabi-Aufspaltung vergleichbar zu einer konventionellen ZnSe Mikrokavität bei 70 K, die nur mit einem wesentlich größeren Wachstumsaufwand hergestellt werden kann. Für dieses System konnten wir erstmals eine hybride Bragg-Polariton-Struktur durch die Bedeckung mit einer dünnen Metallschicht realisieren, welche nicht nur eine effektivere Anregung der Polaritonen ermöglicht, sondern auch deren lateralen Einschluss und spektrale Modulation. Neben der Ausbildung von Tamm-Plasmon-Polaritonen konnte auch das Einsetzen einer nichtlinearen Emissionssteigerung mit zunehmender Anregungsdichte aus dem polaritonischen Zustand beobachtet werden. Die erfolgreiche Anwendung des Konzepts der Tamm-Plasmon-Polaritonen konnten wir auch erstmals für ZnSe-basierte konventionelle Mikrokavitäten nachweisen. Dabei zeigte sich, dass ein Einschlusspotential von ungefähr 13 meV im Fall der resonanten Kopplung des Tamm-Plasmons mit dem Exziton-Polariton erreicht werden kann. Dieses Konzept kann zum effektiven lateralen Einschluss des unteren polaritonischen Zustandes genutzt werden. Dies ist vorteilhaft zur Manipulation, Formung und Führung des Flusses der Polaritonen. Zusätzlich ermöglicht der Metallfilm eine Verschiebung der spektralen Position durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Darüber hinaus zeigte sich, dass bereits die Bedeckung einer offenen Kavität mit implementierten Quantenfilmen mit einem dünnen Metallfilm zum Erreichen der starken Kopplung ausreichend ist. Die bestimmte Kopplungsstärke ist dabei vergleichbar mit einer kompletten Mikrokavitätsstruktur. Die Ergebnisse demonstrieren somit eine Möglichkeit zur Vereinfachung des Aufbaus einer Kavitätsstruktur zur Realisierung von Kavitäts-Exztion-Polaritonen. Auch bei der Anwendung der Metallbedeckung auf eine offene Mikrokavitätsstruktur mit CdSe-Quantenpunkten in der Kavität zeigte sich eine Steigerung der Auskoppeleffizienz. Die Relevanz unserer Ergebnisse wird auch durch unsere Publikationen widergespiegelt, und besonders unsere kürzlich erschienene Publikation bei Scientific Reports hat bis jetzt schon viel Beachtung gefunden.

Publications

• Fabrication of ZnSe-based microcavities for lasing in the strong coupling regime and polariton confinement. Phys. Status Solidi C 11, 1267 (2014)
  T. Klein, S. Klembt, K. Sebald, S. Figge, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, J. Gutowski, E. Durupt, D. Le Si Dang, M. Richard
  
• Influence of Tamm plasmons on the optical properties of ZnSe-based microcavities. 12th International Conference on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors, Bremen 2014
  SK. S. Rahman, M. Cornelius, T. Klein, T. Schönfeld, C. Kruse, D. Hommel, J. Gutowski, K. Sebald
  
• Interaction of Tamm plasmons with cavity photons and excitons in ZnSe-based microcavities. 17th International Conference on II-VI Compounds in Paris, France 2015
  SK. S. Rahman, M. Cornelius, T. Klein, S. Klembt, C. Kruse, D. Hommel, J. Gutowski, K. Sebald
  
• Tailoring the optical properties of wide-bandgap based microcavities via metal films. Applied Physics Letters 107, 062101 (2015)
  K. Sebald · SK. S. Rahman · M. Cornelius · J. Gutowski · T. Klein · S. Klembt · C. Kruse · D. Hommel
  
• Tailoring the strong coupling in ZnSe-based samples by different designs. International Conference on Optics of Excitons in Confined Systems (OECS) in Jerusalem, Israel 2015
  K. Sebald, SK. S. Rahman, M. Cornelius, J. Gutowski, T. Klein, S. Klembt, A. Gust, D. Hommel
  
• Bragg polaritons in a ZnSe-based unfolded microcavity at elevated temperatures. Applied Physics Letters 108, 121105 (2016)
  K. Sebald, SK. S. Rahman, M. Cornelius, T. Kaya, J. Gutowski, T. Klein, A. Gust, D. Hommel, S. Klembt
  
• Influence of the sample design on the strong light-matter coupling in ZnSe based periodic structures. 33rd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS) in Beijing, China 2016
  K. Sebald, SK. S. Rahman, T. Kaya, J. Gutowski, T. Klein, S. Klembt, A. Gust, D. Hommel
  
• Observation of a hybride state of Tamm plasmons and microcavity exciton polaritons. Scientific Reports 6, 34392 (2016)
  SK. S. Rahman, T. Klein, S. Klembt, J. Gutowski, D. Hommel, K. Sebald
  
• Tamm plasmon polaritons in the visible spectral region and its optical properties in ZnSe-based microcavities. 17th International Conference on II-VI Compounds, August 24-29, 2015 in Paris, France Phys. Status Solidi C 13, 498 (2016)
  SK. S. Rahman, K. Sebald, J. Gutowski, T. Klein, S. Klembt, C. Kruse, D. Hommel
  
• Tamm plasmons and exciton polaritons in hybrid microcavities. 13th International Conference on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors, Dortmund 2016
  SK. S. Rahman, T. Klein, S. Klembt, D. Hommel, J. Gutowski, K. Sebald