Condensación de polaritones de Bose-Einstein
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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 un láser , pero a través de un mecanismo diferente. Se puede realizar una transición continua de la condensación de polaritón a la emisión láser de forma 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 "láser sin inversión". [3] [4]

Visión 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 la condensación de Bose-Einstein (BEC) a alta densidad o baja temperatura. El condensado de polaritones de Bose emite una 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 de umbral puede ser bastante baja.

Historia

La teoría de polariton BEC 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 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 reportó evidencia de condensación en desequilibrio [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 informó 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 polaritón en una expansión libre incontrolada. En 2007, el grupo experimental de David Snoke demostró la condensación de polaritones de Bose-Einstein sin equilibrio en una trampa, [11]similar a la forma en que los átomos están confinados 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 se desplazaron del punto de excitación del láser, por lo que el efecto no pudo atribuirse a un simple efecto no lineal de la luz del láser. Jaqueline Bloch y colaboradores observaron condensación de polaritón en 2009, [12] después de lo cual muchos otros experimentadores reprodujeron el efecto (para revisiones, consulte la bibliografía). La evidencia de superfluidez de polaritones fue reportada por Alberto Amo y colaboradores, [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 altamente desequilibrado.

Equilibrio de condensación de polaritones

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 compañeros de trabajo, utilizando estructuras de alta calidad fabricadas por Loren Pfeiffer y Ken West en Princeton. Antes de este resultado, los condensados ​​de polaritón siempre se observaban fuera de equilibrio. [16] [17] Todos los estudios anteriores utilizaron bombeo óptico para crear el condensado. La inyección eléctrica, que habilita un láser de polaritón que podría ser un dispositivo práctico, fue mostrado en 2013 por dos grupos. [18] [19]

Condensación de desequilibrio

Los condensados ​​de polaritón son un ejemplo, y el ejemplo mejor estudiado, de la condensación de cuasipartículas de Bose-Einstein. Debido a que la mayor parte del trabajo experimental sobre condensados ​​de polaritón utilizó estructuras con una vida útil de polaritón muy corta, una gran cantidad de teorías 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

  • Condensación de cuasipartículas de Bose-Einstein

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 exciton-polariton Bose-Einstein". Reseñas de Física Moderna . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 82 (2): 1489-1537. 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 . doi : 10.1103 / revmodphys.85.299 . ISSN 0034-6861 . 
  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 ​​de desequilibrio y láseres sin inversión: láseres exciton-polariton". Physical Review A . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 53 (6): 4250–4253. doi : 10.1103 / physreva.53.4250 . ISSN 1050-2947 . PMID 9913395 .  
  6. ^ Pau, Stanley; Cao, Hui; Jacobson, Joseph; Björk, Gunnar; Yamamoto, Yoshihisa; Imamoğlu, Atac (1 de septiembre de 1996). "Observación de una transición similar a un láser en un sistema de polaritón excitón de microcavidad". Physical Review A . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 54 (3): R1789 – R1792. doi : 10.1103 / physreva.54.r1789 . ISSN 1050-2947 . PMID 9913765 .  
  7. ↑ Kira, M .; Jahnke, F .; Koch, SW; Berger, JD; Wick, DV; Nelson, TR; Khitrova, G .; Gibbs, HM (22 de diciembre de 1997). "Teoría cuántica de la luminiscencia de microcavidades de semiconductores no lineales que explican los experimentos" Boser "". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 79 (25): 5170–5173. doi : 10.1103 / physrevlett.79.5170 . ISSN 0031-9007 . 
  8. ^ Cao, H .; Pau, S .; Jacobson, JM; Björk, G .; Yamamoto, Y .; Imamŏglu, A. (1 de junio de 1997). "Transición de un polaritón excitón de microcavidad a un láser de fotón". Physical Review A . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 55 (6): 4632–4635. doi : 10.1103 / physreva.55.4632 . ISSN 1050-2947 . 
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  11. ^ Balili, R .; Hartwell, V .; Snoke, D .; Pfeiffer, L .; West, K. (18 de mayo de 2007). "Condensación de Bose-Einstein de polaritones de microcavidad en una trampa". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 316 (5827): 1007–1010. Código Bibliográfico : 2007Sci ... 316.1007B . doi : 10.1126 / science.1140990 . ISSN 0036-8075 . PMID 17510360 .  
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Otras lecturas

  • Temas universales de la condensación de Bose-Einstein, publicado por Cambridge University Press (2017). ISBN 978-1107085695 , ISBN 1107085691  
  • John Robert Schrieffer, Teoría de la superconductividad , (1964), ISBN 0-7382-0120-0 
  • Condensación de Bose-Einstein , publicado por Cambridge University Press (1996). ISBN 978-0-521-58990-1 ; ISBN 0-521-58990-8  
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