El concepto de 'cuasipartículas' es un marco altamente exitoso para la descripción de fenómenos complejos que emergen en sistemas de muchos cuerpos. Una especie de cuasipartículas que en particular ha atraído interés en los últimos años son las polaritones en materiales semiconductores. Estas son creadas porla luz que brilla sobre un semiconductor, donde los fotones excitan las ondas de polarización electrónica, llamadas excitones. El proceso de creación es seguido por un período durante el cual la dinámica del sistema puede describirse como la de una entidad similar a una partícula que no es ni luz ni materia.pero una superposición de los dos. Solo una vez que las cuasipartículas mixtas de materia ligera decaen, generalmente en la escala de tiempo de los picosegundos, los fotones recuperan su identidad individual. Escribir en el diario Naturaleza Patrick Knüppel y sus colegas del grupo del profesor Ataç Imamoglu en el Departamento de Física de ETH Zurich ahora describen experimentos en los que los fotones liberados revelan información única sobre el semiconductor que acaban de dejar; al mismo tiempo, los fotones han sido modificadosde maneras que no hubieran sido posibles sin interactuar con el material semiconductor.
Enseñando fotones nuevos trucos
Gran parte del interés reciente en los polaritones proviene de la posibilidad de que abran nuevas e intrigantes capacidades en fotónica. Específicamente, los polaritones proporcionan un medio para dejar que los fotones hagan algo que los fotones no pueden hacer solos: interactuar entre ellos. Rayos de luznormalmente simplemente se cruzan entre sí. Por el contrario, los fotones que están unidos en polaritones pueden interactuar a través de la materia de este último. Una vez que esa interacción se puede hacer lo suficientemente fuerte, las propiedades de los fotones se pueden aprovechar de nuevas maneras, por ejemplo, para cuánticaprocesamiento de información o en nuevos materiales cuánticos ópticos. Sin embargo, lograr interacciones lo suficientemente fuertes para tales aplicaciones no es tarea fácil.
Comienza con la creación de polaritones en primer lugar. El material semiconductor que aloja el sistema electrónico debe colocarse en una cavidad óptica, para facilitar un fuerte acoplamiento entre la materia y la luz. Crear estas estructuras es algo que el grupo de Imamoglu ha perfeccionado a lo largo de los años,en colaboración con otros, en particular con el grupo del profesor Werner Wegscheider, también en el Departamento de Física de ETH Zurich. Otro desafío es hacer que la interacción entre los polaritones sea lo suficientemente fuerte como para que tengan un efecto considerable durante la corta vida útil de las cuasipartículasLa forma de lograr una interacción polaritón-polaritón tan fuerte es actualmente un gran problema abierto en el campo, lo que dificulta el progreso hacia aplicaciones prácticas. Y aquí Knüppel et al. Ahora han hecho una contribución sustancial con su último trabajo.
marcas de salón de interacción fuerte
Los físicos de ETH han encontrado una forma inesperada de mejorar la interacción entre los polaritones, es decir, preparando adecuadamente los electrones con los que los fotones están a punto de interactuar. Específicamente, comenzaron con los electrones inicialmente en el llamado régimen de Hall cuántico fraccional, donde los electrones se limitan a dos dimensiones y se exponen a un campo magnético alto, para formar estados altamente correlacionados completamente impulsados por interacciones electrón-electrón. Para valores particulares del campo magnético aplicado, que determina el llamado factor de llenado que caracteriza el cuantoEstado Hall: observaron que los fotones que brillaban y se reflejaban en la muestra mostraban firmas claras de acoplamiento óptico a los estados Hall cuánticos.
Es importante destacar que la dependencia de la señal óptica del factor de llenado del sistema electrónico también apareció en la parte no lineal de la señal, un fuerte indicador de que los polaritones han interactuado entre sí. En el régimen de Hall cuántico fraccional, el polaritón-Las interacciones de polaritones fueron hasta diez veces más fuertes que en experimentos con electrones fuera de ese régimen. Esa mejora en un orden de magnitud es un avance significativo en relación con las capacidades actuales, y podría ser suficiente para permitir demostraciones clave de 'polaritonics' talescomo un fuerte bloqueo del polaritón. Esto no menos importante que en los experimentos de Knüppel et al., el aumento de las interacciones no se produce a expensas de la vida útil del polaritón, en contraste con muchos intentos anteriores.
El poder y los desafíos de la óptica no lineal
Más allá de las implicaciones para manipular la luz, estos experimentos también llevan la caracterización óptica de estados de muchos cuerpos de sistemas de electrones bidimensionales a un nuevo nivel. Establecen cómo separar la contribución no lineal débil a la señal de la lineal dominante.Esto ha sido posible gracias a un nuevo tipo de experimento que los investigadores de ETH han desarrollado. Un desafío importante fue lidiar con el requisito de tener que iluminar la muestra con luz de relativamente alta potencia, para ajustar la señal no lineal débil.que los fotones que inciden en el semiconductor no causan modificaciones no deseadas en el sistema de electrones, en particular, la ionización de las cargas atrapadas, el equipo de Imamoglu-Wegscheider diseñó una estructura de muestra que ha reducido la sensibilidad a la luz, y realizaron experimentos con pulsosque la excitación continua, para minimizar la exposición a la luz.
El conjunto de herramientas ahora desarrollado para medir la respuesta óptica no lineal de los estados cuánticos de Hall debería permitir una visión novedosa más allá de lo que es posible con mediciones ópticas lineales o en los experimentos de transporte utilizados tradicionalmente. Esta es una buena noticia para aquellos que estudian la interacción entre excitaciones fotónicas y dostridimensionales de electrones: un campo en el que no faltan problemas científicos abiertos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Departamento de Física de Zurich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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