Регистрация / Вход
Прислать материал

Динамика внутренних осцилляций в бозе-конденсате экситонных поляритонов

ФИО
Воронова Нина Сергеевна
Surname Name
Voronova Nina
Организация
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (Московский инженерно-физический институт)
Область наук
Физика и астрономия
Название доклада
Динамика внутренних осцилляций в бозе-конденсате экситонных поляритонов
Project title
Internal oscillatory dynamics of an exciton-polariton Bose condensate
Резюме
Анализируются эффекты отстройки, накачки и утечки на поляритонных Раби-осцилляциях в полупроводниковых микрополостях с постоянной нерезонансной накачкой через экситонный резервуар. Показано существование нетривиальных нелинейных режимов, схожих с внутренним эффектом Джозефсона, колебаниями Ван дер Поля с затуханием, зависящим от амплитуды, а также «перевернутого» стационарного состояния, в котором поляритоны накапливаются на верхней поляритонной ветви, тогда как нижнее поляритонное состояние становится нестабильным.
Ключевые слова
физика коденсированного состояния, наноструктуры, экситонные поляритоны, микрорезонаторы, динамические системы
Тезисы

Экситонные поляритоны — это квазичастицы, появляющиеся в результате сильной свя­зи фотонного состояния в плоской полупроводниковой микрополости и экситонного состояния в квантовой яме. Экситон-поляритонные Раби-осцилляции — это биения в системе двух связанных осциллято­ров, один из которых нелинеен: отталкивательное экситон-экситонное взаимодействие при­водит к зависящему от времени голубому смещению энергии экситона. Важным свойством поляритонной системы является ее нестационарный характер. Из-за неидеальности реальных микрополостей, фотоны могут покидать резонатор. Экситоны так же уходят из системы за счет рассеяния на акустических фононах и других экситонах. Из-за этой утечки фотонов и экситонов, популяцию постоянно приходится поддерживать при помощи лазерной накачки.

В представленной работе теоретически изу­чается влияние экситон-фотонной энергетиче­ской расстройки, постоянной экситонной нерезонансной накачки через экситонный “резерву­ар” и нелинейных потерь на временную динами­ку поляритонных Раби-осцилляций. Проводится аналогия между внутренними осцилляциями в системе и классическим маятником: при описа­нии системы посредством введения переменных полной плотности n(t) = nC(t) + nX(t), дисба­ланса плотностей подсистем ρ(t) = nC (t− nX(t) и относительной фазы φ(t) = φC(t− φX(t) (где индексы ‘C’ и ‘X’ отвечают фотонной и экситон­ной подсистемам, соответственно), относитель­ная фаза φ оказывается аналогом угла откло­нения для маятника, дисбаланс плотностей ρ — аналогом его момента импульса. При этом сила тяжести такого маятника действует “в сторону” конденсата нижних поляритонов (что соответствует φ = π).

Задача решается в приближении среднего поля. Для описания двухкомпонентного кон­денсата записывается система обобщенных комплексных уравнений Гинзбурга-Ландау для макроскопических волновых функций фотонного ψC и экситонного ψX конденсатов.

Для консервативного случая в отсутствии накачки и утечки частиц, аналитически показа­но, что система, в зависимости от энергии (или, что аналогично, начальных условий), может осциллировать вокруг точек равновесия или переходить в режим монотон­но нарастающей относительной фазы, аналогичный внутреннему эффекту Джозефсона для двух пространственно-разделенных конденсатов.

Когда присутствуют накачка и потери, осцилляции плотностей обнаруживают коэффи­циент затухания, зависящий от амплитуды (от полной плотности частиц), что аналогично генератору Ван дер Поля. Показано, что кроме простого затухания к равновесным точкам, найденным в предыдущем случае, возможна раскачка в сторону предельного цикла. Однако в трехмерном фазовом пространстве (n,ρ,φ) этот предельный цикл является неустойчивым, седловым предельным циклом, так что, после притяжения к нему и колебаний с нулевым затуханием и большой амплитудой, все траектории рано или поздно притягиваются к одной из устойчивых точек, отвечающих конденсатам нижних и верхних поляритонов.

При помощи теории нелинейных систем в работе показывается, что кроме затухания к нижнему поляритонному состоянию с φ ≈ π, осцилляции полной плотности могут приводить к стабилизации системы в новом, “перевернутом” стационарном состоянии φ ≈ 2πk (где k — целое число), когда поляритоны будут накапливаться на верхней поляритонной ветви, в то время как нижнее поляритонное состояние будет неустойчивым, и конденсат нижних поляритонов исчезнет.

В аналогии с маятником, этот эф­фект напоминает знаменитый маятник Капицы, стабилизирующийся в верх­нем положении за счет быстрых ос­цилляций точки подвеса. Обнаружен­ный в работе эффект является нели­нейным, и зависит от баланса между нелинейными экситонными потерями и константой экситон-экситонного взаи­модействия. Небезынтересно отметить, что переход от нижней устойчивой точ­ке к верхней происходит через режим роста относительной фазы, т.е. через режим внутреннего эффекта Джозефсона.­

Summary of the project
We analyze the effects of detuning, gain, and dissipation on Rabi oscillations in semiconductor microcavities, assuming a cw pumping via excitonic reservoir. We show the existence of non-trivial regimes reminiscent of internal Josephson effect, Van de Pol oscillations with amplitude-dependent damping, and the “inverted” stationary state with polaritons accumulating at the upper polariton branch while the lower branch becomes unstable.
Keywords
Bose condensation, nanostructures, miscrocavities, exciton-polaritons, internal oscillations