The dynamical Casimir effect in exciton-polariton quantum fluids

Datum: 27 mei 2016

Locatie: Campus Middelheim, A.143 - Middelheimlaan 1 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Selma Koghee

Promotor: Michiel Wouters

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Selma Koghee - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Exciton-polaritonen zijn kwasideeltjes die gedeeltelijk bestaan uit een foton, en gedeeltelijk uit een exciton, wat een gebonden toestand is van een geëxciteerd elektron en een gat. Exciton-polaritonen kunnen gecreëerd worden in een microcaviteit. Dit is een halfgeleiderstructuur, bestaande uit twee Braggreflectren aan de boven- en onderkant, en een of meerder kwantumputten. Wanneer licht invalt op de microcaviteit, kunnen de fotonen gevangen worden tussen de Braggreflectoren, en in de kwantumput ongezet worden in excitonen. Wanneer een elektron met een gat recombineert, ontstaat er opnieuw een foton. Als de fotonen vaak geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden worden voordat ze de caviteit verlaten, worden de foton- en excitonvelden sterk gekoppeld. In dat geval beschrijven we het systeem niet langer in termen van excitonen en fotonen, maar in termen van polaritonen, die een combinatie van de twee vormen.

In de thesis bestuderen we theoretisch de evolutie van plotseling gecreëerde exciton-polaritonvloeistoffen. Deze evolutie wordt bepaald door het verlies aan deeltjes, dat veroorzaakt wordt doordat fotonen uit de caviteit ontsnappen, en door interacties tussen de polaritonen, die voortkomen uit de Coulombinteracties tussen de excitonen. Aanvankelijk zijn er alleen polaritonen aanwezig met impuls gelijk aan nul en hebben alle deeltjes dezelfde fase. Deze initiële condities kunnen gecreëerd worden door middel van een ultrakorte laser puls die loodrecht invalt op de microcaviteit en die resonant is met de polaritontoestand met de minste energie. Deze toestand is niet de grondtoestand van het totale systeem bestaande uit vele, interagerende deeltjes.

Voor homogene systemen hebben we een volledig beeld van het systeem verkregen door de formele oplossing van de stochastische differentiaalvergelijking, uitgedrukt in Greense functies, numeriek te berekenen. Op basis van deze oplossing hebben we de momentumdistributie, de eerste order coherentie in de reële ruimte, en de tweede order coherentie in zowel de impulsruimte als de reële ruimte bepaald. De gevonden resultaten kunnen verklaard worden door het dynamisch Casimir effect, en door het feit dat wanneer de dichtheid aan deeltjes afneemt door verliezen, ook de interactie-energie afneemt. De verschillende eigenschappen tonen aan dat er polaritonen met impuls groter dan nul geproduceerd worden en dat er in de impulsruimte een sterke correlatie bestaat tussen polaritonen met tegenovergestelde impuls. In de reële ruimte zien we correlaties die zich op een lichtkegel-achtige manier verspreiden, waarbij de geluidssnelheid in de exciton-polariton vloeistof de rol speelt van de lichtsnelheid.

Daarnaast hebben we inhomogene systemen bestudeerd door middel van Monte Carlo simulaties van de stochastische differentiaalvergelijking. Voor systemen met een aanvankelijke Gaussische dichtheidsverdeling, zien we in de reële ruimte een uitdijing van de dichtheidsdistributie. Als gevolg hiervan zijn de onderzochte eigenschappen in de impulsruimte duidelijk verschillend van het homogene systeem. De eerste orde coherentie in de reële ruimte kan echt goed beschreven worden door de resultaten gevonden voor de homogene systemen.