Die vorliegende Arbeit behandelt den Einfluss eines Defekt-induzierten, intrinsischen, statischen Unordnungspotentials innerhalb einer planaren, ZnObasierten Mikrokavität (MK) auf die lokale Dichteverteilung eines darin erzeugten, dynamischen Exziton-Polariton Bose-Einstein-Kondensats (BEK). Dies ist von Interesse, da die derzeitigen, z.B. GaN- oder ZnO-basierten MK, welche die Erzeugung von Exziton-Polariton BEKs bei Raumtemperatur ermöglichen und
daher für zukünftige Anwendungen in realen Bauelementen geeignet erscheinen,
durch eine hohe Defektdichte gekennzeichnet sind.
Mit Hilfe eines eigens dafür aufgebauten Michelson-Interferometers wurde
die Kohärenzzeit des Exziton-Polariton BEKs ermittelt, welche die Lebenszeit
der einzelnen, unkondensierten Polaritonen um einen Faktor 140 übersteigt.
Somit konnte das untersuchte, quantenmechanische System als zeitlich koh
ärentes Kondensat identifiziert werden, da die Kohärenz während des stetigen
Zerfalls und der Neubildung der einzelnen Polaritonen erhalten bleibt.
Weiterhin wurden durch Unordnung hervorgerufene Dichtefluktuationen innerhalb
des Polariton-Kondensats untersucht, welche in Form von Intensitäts-
Fluktuationen in der Fernfeldverteilung der BEK-Emission beobachtet wurden.
Dazu wurde der experimentelle Datensatz einer anregungsleistungsabhängigen
Photolumineszenzuntersuchung analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die
beobachteten Intensitätsfluktuationen über einen großen Anregungsleistungsbereich stabil bleiben, und zwar bis zum 20-fachen Wert der Schwellenleistung, welche für die Erzeugung des Polariton-BEKs nötig ist. Dies deutet auf eine gleichbleibende, durch Unordnung hervorgerufene, lokale Dichtevariation des BEKs trotz steigender Gesamtteilchendichte hin, was im starken Widerspruch zum theoretisch vorausgesagtem und experimentell gefundenem Verhalten von Kondensaten im thermischen Gleichgewicht steht. Die hier vorliegenden experimentellen Befunde konnten anhand eines Vergleichs mit numerischen Simulationen, basierend auf einem neu entwickelten theoretischem
Modell, auf das Zusammenspiel des vorliegenden Unordnungspotentials und
des Nicht-Gleichgewichtscharakters der untersuchten Exziton-Polariton Kondensate zurückgeführt werden. Dies verursacht dichteunabhängige Phasenfluktuationen innerhalb des Kondensats, welche die beobachteten Fluktuationen in der Fernfeldverteilung der Emission hervorrufen.:1 Introduction 1
2 Physical Basics 9
2.1 Distributed Bragg Reflectors (DBRs) . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Microcavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Light-Matter-Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Weak Coupling Regime (WCR) . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Strong Coupling Regime (SCR) . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Bose-Einstein Condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Mean-Field Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.2 Review of Research on Disorder Effects on Polariton
Condensates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Coherence Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1 Ideal Light Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.2 Real Light Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.3 Wiener-Khinchin Theorem (WKT) . . . . . . . . . . . . 36
I Experimental Observations 39
3 The ZnO-based Microcavity - Review of the known Properties 41
3.1 Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.1 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 Microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2 Bose-Einstein Condensation of Exciton-Polaritons . . . . . . . . 45
3.3 Conclusion and remaining Problems . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Coherence Spectroscopy 53
4.1 Micro-Photoluminescence Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
i
4.1.1 Excitation Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.2 Detection Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 Michelson Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Determination of First Order Correlation Function . . . . 62
4.3 Performance of the Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5 Experimental Characterization of Bose-Einstein Condensates 69
5.1 Threshold Power Density for Polariton Condensation . . . . . . 70
5.2 Determination of Coherence Time . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 Inhomogeneous Emission Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.1 Analysis of individual Energy Branches . . . . . . . . . . 85
5.3.2 Origin of disorder potential . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4 Summary of Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
II Theoretical Predictions 105
6 Disorder Effects on an equilibrium BEC 109
7 Overview of the Theoretical Analysis of quasi-equilibrium and
non-equilibrium BEC 113
7.1 Model for extended Gross-Pitaevskii equation including Gain
and Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.2 Disorder Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8 Numerical Simulations 125
8.1 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.2 Choice of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.3 Results for both Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.4 Comparison with Experimental Data . . . . . . . . . . . . . . . 132
9 Summary of Part II 139
III Summary and Outlook 141
A Appendix 149
A.1 Alignment Procedure for the Michelson Interferometer . . . . . 149
A.2 Performance of the Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2.1 Methods and Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
A.2.3 Impact of Experimental Artifacts . . . . . . . . . . . . . 175
A.3 Impact of Noise on the evaluated Visibility . . . . . . . . . . . . 182
A.4 FFT Analysis of Far-Field BEC Emission Pattern . . . . . . . . 185
Acknowledgement 203
Curriculum vitae 205
declaration 206
List of own and contributed articles 207
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:16552 |
| Date | 23 October 2017 |
| Creators | Thunert, Martin |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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