КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-72-00088

НазваниеРеализация и исследование оптически индуцированных двумерных решеток поляритонных конденсатов в неорганических микрорезонаторах

РуководительАляткин Сергей Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионАвтономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словаэкситон-поляритоны, оптические решетки, поляритонный конденсат, решетка Либа, гексагональная решетка, микрорезонаторы, полупроводники, симуляторы, оптимизаторы

Код ГРНТИ29.31.27


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Экситон-поляритоны (далее поляритоны), возникающие в режиме сильной связи между излучением (фотонами) и веществом (экситонами) в планарных структурах - микрорезонаторах, обладают рядом уникальных физических свойств [1]. Как композитным квазичастицам, поляритонам присущи свойства как фотонной, так и экситонной составляющих, что делает такую систему крайне привлекательной для исследований. Во-первых, поляритоны обладают малой массой (примерно на четыре порядка меньше массы электрона), что позволило пронаблюдать и исследовать явление поляритонной конденсации [2]. А во-вторых, от материальной среды поляритоны унаследовали сильные нелинейные характеристики. Стремительное развитие экспериментальной техники и адаптация подходов, развитых ранее для атомных бозе-конденсатов, привели к становлению поляритоники как отдельного направления физики на стыке оптики и физики конденсированного состояния. Безусловно, поляритоны в микрорезонаторах являются уникальным объектом для фундаментальных исследований благодаря сильным межчастичным взаимодействиям, диссипативного характера системы, а также когерентным свойствам, проявляющимся на макроскопических масштабах. С точки зрения потенциальных практических приложений, успешно продемонстрированы основные элементы логики [3], усилители [4], переключатели [5] и даже поляритонный транзистор [6]. Потенциал системы взаимодействующих поляритонных конденсатов как новой платформы для симуляции сложных физических систем, многопараметрических оптимизаторов, а также нейроморфных вычислителей подтверждается резко возросшим числом подобных исследований [7-10] . Развитие в этом направлении подразумевает реализацию и детальное изучение двумерных массивов поляритонных конденсатов, а также разработку методов прецизионного селективного контроля над взаимодействием между отдельными узлами, что существенно осложняется нелинейностью и диссипативностью системы, а также пикосекундной динамикой. Помимо перечисленных выше потенциальных приложений, двумерные решетки взаимодействующих конденсатов открывают возможность к наблюдению и исследованию различных физических явлений, что подчеркивает актуальность направления. Например, формирование плоских зон и “Дираковских конусов” в спектре двумерных технологически изготовленных решеток Либа [11] и гексагональной решетки, а также формирование фазовых дислокаций - вихрей с различным топологическим зарядом при полигональной геометрии массива [12]. Однако системы, изготовленные методами литографии, не позволяют гибко варьировать in situ такие параметры системы как вид решетки, расстояние между узлами, глубину и продольный размер локализующего потенциала, ограничивая тем самым ряд доступных для наблюдения физических явлений. Предлагаемый проект основан на полностью оптических методах создания и контроля двумерных решеток взаимодействующих поляритонных конденсатов. Мы будем экспериментально разрабатывать и развивать методы “оптической печати” решеток с использованием пространственного модулятора света, позволяющего контролировать профиль нерезонансного возбуждающего излучения. С практической точки зрения, ожидается первая полностью оптическая реализация двумерных решеток Либа, Кагоме и гексагональной на поляритонной системе с числом узлов более 50. С фундаментальной точки зрения, одной из главных целей проекта является реализация и исследование перехода от режима удаленных баллистически свободно распространяющихся конденсатов к режиму конденсации поляритонов, захваченных в ловушку. Демонстрация такого перехода принципиально невозможна в литографически созданных массивах ввиду локализации волновой функции в переделах заданного потенциала, что безусловно подчеркивает научную новизну предлагаемого проекта. Полученные результаты позволят глубже понять механизмы взаимодействия между поляритонными конденсатами в зависимости от константы решетки и ее формы, и станут важным шагом на пути к реализации сложных физических систем с помощью поляритонной платформы. [1] Hui Deng, Hartmut Haug, and Yoshihisa Yamamoto. Exciton-polariton Bose-Einstein condensation. Rev. Mod. Phys. 82, 1489 (2010) [2] Kasprzak, J., Richard, M., Kundermann, S. et al. Bose–Einstein condensation of exciton polaritons. Nature 443, 409–414 (2006) [3] Anton V. Baranikov, Anton V. Zasedatelev, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt, Pavlos G. Lagoudakis. All-optical cascadable universal logic gate with sub-picosecond operation. https://arxiv.org/abs/2005.04802 [4] P. G. Savvidis, J. J. Baumberg, R. M. Stevenson, M. S. Skolnick, D. M. Whittaker, and J. S. Roberts. Angle-Resonant Stimulated Polariton Amplifier. Phys. Rev. Lett. 84, 1547 (2000) [5] T. Gao, P. S. Eldridge, T. C. H. Liew, S. I. Tsintzos, G. Stavrinidis, G. Deligeorgis, Z. Hatzopoulos, and P. G. Savvidis. Polariton condensate transistor switch. Phys. Rev. B 85, 235102 (2012) [6] Zasedatelev, A.V., Baranikov, A.V., Urbonas, D. et al. A room-temperature organic polariton transistor. Nat. Photonics 13, 378–383 (2019) [7] Pavlos G Lagoudakis and Natalia G Berloff. A polariton graph simulator. New J. of Physics, 19, 125008 (2017) [8] Ghosh, S., Opala, A., Matuszewski, M. et al. Quantum reservoir processing. npj Quantum Information, 5:35 (2019) [9] Dario Ballarini, Antonio Gianfrate, Riccardo Panico, Andrzej Opala, Sanjib Ghosh, Lorenzo Dominici, Vincenzo Ardizzone, Milena De Giorgi, Giovanni Lerario, Giuseppe Gigli, Timothy C. H. Liew, Michal Matuszewski, and Daniele Sanvitto. Polaritonic Neuromorphic Computing Outperforms Linear Classifiers. Nano Lett., 20, 5, 3506–3512 (2020) [10] Boulier, T., Jacquet, M.J., Maître, A., Lerario, G., Claude, F., Pigeon, S., Glorieux, Q., Amo, A., Bloch, J., Bramati, A. and Giacobino, E. Microcavity Polaritons for Quantum Simulation. Adv. Quantum Technol., 3: 2000052 (2020) [11] Tristan H. Harder, Oleg A. Egorov, Johannes Beierlein, Philipp Gagel, Johannes Michl, Monika Emmerling, Christian Schneider, Ulf Peschel, Sven Höfling, and Sebastian Klembt. Exciton-polaritons in flatland: Controlling flatband properties in a Lieb lattice. Phys. Rev. B 102, 121302(R), (2020) [12] Kirill Kalinin, Matteo Silva, Julian D. Töpfer, Wolfgang Langbein, Natalia G. Berloff, Pavlos G. Lagoudakis. Giant vortices of controlled multiplicity in polariton lattices. https://arxiv.org/abs/1710.03451

Ожидаемые результаты
Проект ставит своей целью достижение двух основных результатов: (1) Разработку и экспериментальную реализацию методов создания и характеризации двумерных оптических решеток поляритонных конденсатов в неорганических микрорезонаторах (на примере гексагональной решетки и решетки Либа). Ожидается, что в лабораторных условиях будут реализованы оптические решетки поляритонных конденсатов с числом узлов, превосходящим 50, при нерезонансном лазерном возбуждении. При этом возбуждение будет представлять собой массив сфокусированных гауссовых пучков с характерным размером на образце порядка 2 мкм (FWHM), при этом ориентированных в нужной геометрии на заданном расстоянии. Предполагается, что минимальная константа решетки составит величину менее 10 мкм, а максимальная величина будет ограничена доступной мощностью лазера накачки в совокупности с используемой оптикой, и составит не менее 20 мкм. Будет собрана и модифицирована экспериментальная установка, позволяющая не только оптическую печать указанных решеток поляритонных конденсатов, но и позволяющая выполнить необходимую характеризацию сгенерированной физической системы. А именно: будет доступна запись изображения поляритонной фотолюминесценции в координатном и импульсном (Фурье) пространствах, включая детектирование с высоким спектральным разрешением (около 0,02 нм). Кроме того, будет реализован метод энергетической томографии для полной реконструкции энергетического спектра двумерных решеток. Такой подход позволит лучше контролировать и перестраивать параметры решетки в зависимости от того, в каком конечном состоянии происходит конденсация. В случае, если в исследуемых решетках будут обнаружены вихревые моды, будет экспериментально измерено распределение фазы в пространстве с помощью развитой ранее в коллективе техники гомодинной интерферометрии. (2) Исследование фундаментальных физических механизмов, ответственных за формирование конечного состояния поляритонной системы в зависимости от параметров возбуждающего излучения. Предлагаемый полностью оптический подход к созданию решеток поляритонных конденсатов позволит впервые реализовать решетку Либа (а также гексагональную) взаимодействующих конденсатов, находящихся на макроскопическом расстоянии, в отличие от реализованных ранее технологически изготовленных решеток [Phys. Rev. Lett., 120, 097401 (2018); Phys. Rev. B 102, 121302(R), (2020)] с малым расстоянием между узлами (около 2.5-3 мкм). Существенным отличием является то, что последняя система описывается TB (tight-binding) моделью, учитывающей сильную локализацию волновых функций. В нашем случае взаимодействие между конденсатами, вероятно, будет описываться моделью связанных осцилляторов в задержкой (time-delay coupled oscillators) [Commun Phys 3, 2 (2020)]. Такая модель успешно описывает спектр системы пары связанных по фазе поляритонных конденсатов при изменении расстояния между ними вплоть до 100 мкм. Таким образом, во-первых, мы реализуем недоступный ранее и неисследованный экспериментально режим, а во-вторых, вероятно, модификацией параметров возбуждения нам удастся оптически сгенерировать состояния, присущие квазичастицам, находящимся в локализующем потенциале (например, плоские зоны в случае решетки Либа). Более того, плавным изменением константы решетки мы надеемся обнаружить переход от случая баллистически свободно распространяющихся конденсатов к случаю локализованных конденсатов, с областью локализации вне позиций оптической накачки. Добавим, что решетка Либа, в отличие от сотовой структуры не существует в природе в виде атомного монослоя, и по этой причине привлекает дополнительный интерес. Успешная реализация проекта позволит приблизиться к реализации новых структур, включая апериодические решетки. Ожидается, что предлагаемые полностью оптические методы реализации двумерных решеток взаимодействующих конденсатов станут еще одним шагом на пути к "переходу к новым материалам и способам конструирования" физических систем в фотонике. Безусловно, запланированные эксперименты находятся на очень высоком мировом уровне исследований (более подробно см. п. 4.3 и п. 4.5 заявки).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе проекта были разработаны и экспериментально реализованы методы “оптической печати” решеток поляритонных конденсатов в неорганических микрорезонаторах. На примере решетки Либа с использованием пространственного модулятора света нам удалось продемонстрировать прецизионный контроль над профилем оптической накачки. В условиях нерезонансного лазерного возбуждения были показаны и исследованы оптические поляритонные решетки Либа с различным периодом (размером ячейки): D=10.3 мкм, 12.3 мкм, 15.2 мкм, 16.9 мкм, 20 мкм и 22.3 мкм. Для каждой решетки изучены спектр системы и распределение интенсивности фотолюминесценции (в координатном и импульсном пространствах) в зависимости от интенсивности возбуждения. Обнаружено, что при значениях периода решетки D>17 мкм максимумы плотности поляритонных конденсатов преимущественно локализованы в соответствующих узлах накачки. При этом между конденсатами наблюдается явление синхронизации, подтверждающее формирование макроскопически когерентного состояния: происходит сужение линии фотолюминесценции, между узлами решетки отчетливо видны интерференционные полосы. Например, в решетках с периодом D=22.3 мкм в ячейках наблюдается деструктивная интерференционная картина (при мощности накачки выше пороговой), в то время как при D=20.0 мкм она сменяется на конструктивную. Впервые для указанных решеток удалось реализовать 96 связанных по фазе поляритонных конденсатов при нерезонансном непрерывном возбуждении, что соответствует решетке Либа с рекордным числом ячеек 5x5. При существенном уменьшении периода решетки до значений D<12.5 мкм конденсация поляритонов наблюдается в центральной области ячеек, а не в узлах решетки. Так, при D=10.3 мкм наблюдается возбуждение поляритонных конденсатов в основном состоянии. В промежуточном диапазоне параметров оптической решетки (13 мкм<D<17 мкм) наблюдается сложная “фрагментированная” картина поляритонной фотолюминесценции. Часть поляритонов локализуется в узлах накачки, в то время как остальная часть выталкивается из области возбуждения и локализуется в центральной области ячеек. При этом в спектре наблюдается сразу несколько возбужденных уровней, подтверждающих конкуренцию мод в поляритонной системе. Тонкое варьирование параметров возбуждения также позволило сделать выводы о релаксации энергии квазичастиц, способных взаимодействовать между собой (за счет экситонной компоненты) и с экситонным резервуаром. Наши наблюдения показали, что при уменьшении периода решетки характерная энергия возбужденного состояния уменьшается. Таким образом, нам удалось показать переход от режима пространственно удаленных баллистически распространяющихся конденсатов к режиму конденсации поляритонов, захваченных в ловушку. Ценность данного результата заключается в том, что наблюдение такого перехода невозможно в литографически созданных массивах конденсатов ввиду сильной локализации волновой функции в пределах заданного потенциала. Была предложена и экспериментально реализована идея оптического возбуждения полупроводниковых микрорезонаторов с помощью "обратной" двумерной решетки. “Обратная” решетка представляет собой такой двумерный массив гауссовых пятен накачки, что только области вне пятен накачки образуют решетку Либа. При жесткой фокусировке нерезонансного излучения поляритоны активно выталкиваются из области локализации инжектированного лазером экситонного резервуара. По этой причине, возбуждение системы “обратной” решеткой приводит к формированию потенциальных минимумов, где наблюдается локализация поляритонов. Такой подход позволил нам впервые наблюдать полностью оптическую генерацию плоских зон в спектре решетки Либа без необратимого структурирования микрорезонатора. Была реализована энергетическая томография системы, показавшая что более 90% интенсивности поляритонной фотолюминесценции приходится на плоскую зону (P-flat band). При варьировании периода “обратной” решетки и относительной интенсивности отдельных пятен накачки удалось наблюдать массив поляритонных конденсатов в основном состоянии (S-band). Таким образом, продемонстрирован тонкий контроль над потенциальным ландшафтом для поляритонов, позволяющий управлять спектром двумерной поляритонной системы. Все описанные выше результаты были опубликованы в работе [Alyatkin, S., Sigurdsson, H., Askitopoulos, A. et al. Quantum fluids of light in all-optical scatterer lattices. Nat Commun 12, 5571 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25845-4]

 

Публикации

1. - Между светом и материей: исследователи Сколтеха научились контролировать состояния квантовой жидкости с помощью лазерного излучения. public relations service of Skoltech, - (год публикации - ).

2. Аляткин С.Ю., Сигурдссон Х., Аскитопулос А., Топфер Ю.Д., Лагудакис П.Г. Quantum fluids of light in all-optical scatterer lattices Nature Communications, 5571, 12, 1 (год публикации - 2021).