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Condensación de polaritones de Bose-Einstein

La condensación de polaritones de Bose-Einstein es un campo en crecimiento en la investigación de la óptica de semiconductores, que exhibe una coherencia espontánea similar a la de un láser , pero a través de un mecanismo diferente. Una transición continua de la condensación de polaritones al láser puede ser 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 Polariton a veces se denomina "láser sin inversión". [3] [4]

Descripción general

Los polaritones son cuasipartículas bosónicas que pueden considerarse 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 (típicamente 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 polaritones de Bose 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 polariton BEC fue propuesta por primera vez por Atac Imamoglu [5] y sus coautores, incluido Yoshihisa Yamamoto . Estos autores afirmaron haber observado este efecto en un artículo posterior, [6] pero finalmente se demostró que se trataba de láser estándar. [7] [8] En un trabajo posterior en colaboración con el grupo de investigación de Jacqueline Bloch, la estructura fue rediseñada 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 sin 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 sus coautores informaron sobre la primera afirmación ampliamente aceptada de condensación de polaritones de Bose-Einstein sin 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 polariton en una expansión libre incontrolada. En 2007, el grupo experimental de David Snoke demostró una condensación de polaritones de Bose-Einstein sin equilibrio en una trampa, [11] similar a la forma en que los átomos se confinan en trampas para los experimentos de condensación de Bose-Einstein. La observación de la condensación de polaritones en una trampa fue significativa porque los polaritones estaban desplazados del punto de excitación del láser, de modo que el efecto no podía atribuirse a un simple efecto no lineal de la luz láser. Jaqueline Bloch y sus compañeros de trabajo observaron la condensación de polariton en 2009, [12] después de lo cual muchos otros experimentadores reprodujeron el efecto (para revisiones, consulte la bibliografía). Alberto Amo y sus compañeros de trabajo informaron sobre la superfluidez de los polaritones, [13] basándose en la dispersión suprimida de los polaritones durante su movimiento. Este efecto se ha observado más recientemente a temperatura ambiente, [14] que es la primera evidencia de superfluidez a temperatura ambiente , aunque en un sistema con alto desequilibrio.

Condensación de polaritones en equilibrio

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

Condensación en desequilibrio

Los condensados ​​de Polariton son un ejemplo, y el mejor estudiado, de la condensación de cuasipartículas de Bose-Einstein. Debido a que la mayor parte del trabajo experimental sobre condensados ​​de polariton utilizó estructuras con una vida útil de polariton muy corta, una gran cantidad de teoría ha abordado las propiedades de la condensación en desequilibrio 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", todavía tiene una velocidad crítica para la aparición de efectos superfluidos.

Ver 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 excitón-polariton Bose-Einstein". Reseñas de Física Moderna . 82 (2). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 1489-1537. Código Bib : 2010RvMP...82.1489D. doi :10.1103/revmodphys.82.1489. ISSN  0034-6861.
  3. ^ Carusotto, Iacopo; Ciuti, Cristiano (21/02/2013). "Fluidos cuánticos de luz". Reseñas de Física Moderna . 85 (1): 299–366. arXiv : 1205.6500 . Código Bib : 2013RvMP...85..299C. doi :10.1103/revmodphys.85.299. ISSN  0034-6861. S2CID  9675458.
  4. ^ D. Snoke y J. Keeling, “Los condensados ​​de Polariton alcanzan la mayoría de edad”, Physics Today, en prensa.
  5. ^ Imamog¯lu, A.; Ram, RJ; Pau, S.; Yamamoto, Y. (1 de junio de 1996). "Condensados ​​en desequilibrio y láseres sin inversión: láseres de excitón-polaritón". Revisión física A. 53 (6). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 4250–4253. Código bibliográfico : 1996PhRvA..53.4250I. doi :10.1103/physreva.53.4250. ISSN  1050-2947. PMID  9913395.
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