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Condensación de Bose-Einstein de polaritones

La condensación de polaritones de Bose-Einstein es un campo en crecimiento en la investigación de la óptica de semiconductores, que exhibe coherencia espontánea similar a un láser , pero a través de un mecanismo diferente. Se puede realizar una transición continua de la condensación de polaritones a la emisión láser de manera similar a la del cruce de un condensado de Bose-Einstein a un estado BCS en el contexto de los gases de Fermi. [1] [2] La condensación de polaritones a veces se denomina “emisión láser sin inversión”. [3] [4]

Descripción general

Los polaritones son cuasipartículas bosónicas que pueden considerarse como fotones vestidos . En una cavidad óptica , los fotones tienen una masa efectiva y, cuando la resonancia óptica en una cavidad se acerca en energía a una resonancia electrónica (normalmente un excitón ) en un medio dentro de la cavidad, los fotones interactúan fuertemente y se repelen entre sí. Por lo tanto, actúan como átomos que pueden acercarse al equilibrio debido a sus colisiones entre sí y pueden sufrir condensación de Bose-Einstein (BEC) a alta densidad o baja temperatura. El condensado de Bose de polaritones emite entonces luz coherente como un láser. Debido a que el mecanismo para el inicio de la coherencia son las interacciones entre los polaritones, y no la ganancia óptica que proviene de la inversión , la densidad umbral puede ser bastante baja.

Historia

La teoría del BEC de polaritones fue propuesta por primera vez por Atac Imamoglu [5] y coautores, incluido Yoshihisa Yamamoto . Estos autores afirmaron haber observado este efecto en un artículo posterior, [6] pero finalmente se demostró que se trataba de un láser estándar. [7] [8] En un trabajo posterior en colaboración con el grupo de investigación de Jacqueline Bloch, la estructura se rediseñó para incluir varios pozos cuánticos dentro de la cavidad para evitar la saturación de la resonancia del excitón, y en 2002 se informó evidencia de condensación de no equilibrio [9] que incluía correlaciones fotón-fotón consistentes con la coherencia espontánea. Grupos experimentales posteriores han utilizado esencialmente el mismo diseño. En 2006, el grupo de Benoit Deveaud y coautores informaron la primera afirmación ampliamente aceptada de condensación de Bose-Einstein de polaritones de no equilibrio [10] basada en la medición de la distribución del momento de los polaritones. Aunque el sistema no estaba en equilibrio, se observó un pico claro en el estado fundamental del sistema, una predicción canónica de BEC. Ambos experimentos crearon un gas de polaritones en una expansión libre no controlada. En 2007, el grupo experimental de David Snoke demostró la condensación de Bose-Einstein fuera de equilibrio de polaritones en una trampa, [11] similar a la forma en que los átomos están confinados en trampas para experimentos de condensación de Bose-Einstein. La observación de la condensación de polaritones en una trampa fue significativa porque los polaritones se desplazaron del punto de excitación del láser, de modo que el efecto no se pudo atribuir a un simple efecto no lineal de la luz láser. Jaqueline Bloch y colaboradores observaron la condensación de polaritones en 2009, [12] después de lo cual muchos otros experimentalistas reprodujeron el efecto (para revisiones, consulte la bibliografía). Alberto Amo y colaboradores informaron evidencia de superfluidez de polaritones en [13] , basándose en la dispersión suprimida de los polaritones durante su movimiento. Este efecto se ha observado más recientemente a temperatura ambiente, [14] lo que constituye la primera evidencia de superfluidez a temperatura ambiente , aunque en un sistema altamente fuera de equilibrio.

Condensación de polaritones en equilibrio

La primera demostración clara de la condensación de Bose-Einstein de polaritones en equilibrio [15] fue reportada por una colaboración de David Snoke , Keith Nelson y colaboradores, utilizando estructuras de alta calidad fabricadas por Loren Pfeiffer y Ken West en Princeton. Antes de este resultado, los condensados ​​de polaritones siempre se observaban fuera de equilibrio. [16] [17] Todos los estudios anteriores utilizaron bombeo óptico para crear el condensado. La inyección eléctrica, que permite un láser de polaritones que podría ser un dispositivo práctico, fue demostrada en 2013 por dos grupos. [18] [19]

Condensación fuera de equilibrio

Los condensados ​​de polaritones son un ejemplo, y el ejemplo mejor estudiado, de condensación de Bose-Einstein de cuasipartículas. Debido a que la mayor parte del trabajo experimental sobre condensados ​​de polaritones utilizó estructuras con una vida útil de polaritones muy corta, un gran cuerpo teórico ha abordado las propiedades de la condensación fuera de equilibrio y la superfluidez. En particular, Jonathan Keeling [20] e Iacopo Carusotto y C. Ciuti [21] han demostrado que, aunque un condensado con disipación no es un superfluido “verdadero”, aún tiene una velocidad crítica para el inicio de los efectos superfluidos.

Véase también

Referencias

  1. ^ Temas universales de la condensación de Bose-Einstein, publicado por Cambridge University Press (2017). ISBN  978-1107085695 , ISBN 1107085691 Este libro revisa gran parte del trabajo sobre la condensación de polaritones y compara y contrasta estos condensados ​​con los condensados ​​atómicos. 
  2. ^ Deng, Hui; Haug, Hartmut; Yamamoto, Yoshihisa (12 de mayo de 2010). "Condensación de Bose-Einstein excitón-polaritón". Reseñas de Física Moderna . 82 (2). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 1489–1537. Código Bibliográfico :2010RvMP...82.1489D. doi :10.1103/revmodphys.82.1489. ISSN  0034-6861.
  3. ^ Carusotto, Iacopo; Ciuti, Cristiano (21 de febrero de 2013). "Fluidos cuánticos de luz". Reseñas de Física Moderna . 85 (1): 299–366. arXiv : 1205.6500 . Código Bibliográfico :2013RvMP...85..299C. doi :10.1103/revmodphys.85.299. ISSN  0034-6861. S2CID  9675458.
  4. ^ D. Snoke y J. Keeling, “Los condensados ​​de polaritón alcanzan la madurez”, Physics Today, en prensa.
  5. ^ Imamog¯lu, A.; Ram, RJ; Pau, S.; Yamamoto, Y. (1996-06-01). "Condensados ​​de no equilibrio y láseres sin inversión: láseres de excitón-polaritón". Physical Review A . 53 (6). American Physical Society (APS): 4250–4253. Bibcode :1996PhRvA..53.4250I. doi :10.1103/physreva.53.4250. ISSN  1050-2947. PMID  9913395.
  6. ^ Pau, Stanley; Cao, Hui; Jacobson, Joseph; Björk, Gunnar; Yamamoto, Yoshihisa; Imamoğlu, Atac (1996-09-01). "Observación de una transición similar a un láser en un sistema de microcavidad excitón-polaritón". Physical Review A . 54 (3). American Physical Society (APS): R1789–R1792. Bibcode :1996PhRvA..54.1789P. doi :10.1103/physreva.54.r1789. ISSN  1050-2947. PMID  9913765.
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