Starke Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleiter-Mikroresonatoren führt zur Ausbildung von Eigenmoden mit gemischtem Licht-Materie-Charakter, die als Polaritonen bezeichnet werden. Die besonderen Eigenschaften dieser bosonischen Quasiteilchen können zur Realisierung neuartiger Bauteile genutzt werden, wie etwa des Polariton-Lasers, der auf stimulierter Streuung beruht anstatt auf stimulierter Emission, durch die Photon-Lasing ausgelöst wird. Durch den direkten Zugang zu Polariton-Zuständen in spektroskopischen Experimenten, sowie durch die Möglichkeit mit vielfältigen Mitteln nahezu beliebige Potentiallandschaften definieren zu können, eröffnen sich zahlreiche weitere Anwendungsgebiete, etwa in der Quantensimulation bzw. -emulation.
Mittels externer elektrischer und magnetischer Felder können Erkenntnisse über Polaritonen gewonnen werden, die in rein optischen Experimenten nicht zugänglich sind. Durch die Felder, die nicht mit rein photonischen Moden wechselwirken, kann auf den Materie-Anteil der Hybridmoden zugegriffen werden. Weiterhin können die Felder zur in-situ Manipulation der Polariton-Energie genutzt werden, was für die Erzeugung dynamischer Potentiale relevant werden könnte. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Betrachtung verschiedener Phänomene der Licht-Materie-Wechselwirkung unter dem Einfluss äußerer Felder. Dazu wurden auf das jeweilige Experiment abgestimmte Strukturen und Bauteile hergestellt und in magneto-optischen oder elektro-optischen Messungen untersucht.
Um elektrische Felder entlang der Wachstumsrichtung anlegen zu können, d.h. in vertikaler Geometrie, wurden dotierte Resonatoren verwendet, die mit elektrischen Kontakten auf der Probenoberfläche und -rückseite versehen wurden. In diesen Bauteilen wurde die Energieverschiebung im elektrischen Feld untersucht, der sogenannte Stark-Effekt. Dieser im linearen Regime bereits mehrfach demonstrierte Effekt wurde systematisch auf den nichtlinearen Bereich des Polariton-Lasings erweitert. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Probengeometrie und deren Einfluss auf die beobachteten Energieverschiebungen gelegt. Die Untersuchungen von Proben mit planarer, semi-planarer und Mikrotürmchen-Geometrie zeigen, dass ein lateraler Einschluss der Ladungsträger, wie er im Mikrotürmchen erzielt wird, zu einer Umkehrung der Energieverschiebung führt. Während in dieser Geometrie mit zunehmender Feldstärke eine Blauverschiebung des unteren Polaritons gemessen wird, die durch Abschirmungseffekte erklärt werden kann, wird in planarer und semi-planarer Geometrie die erwartete Rotverschiebung beobachtet. In beiden Fällen können, je nach Verstimmung, Energieverschiebungen im Bereich von einigen hundert µeV gemessen werden. Die gemessenen Energieverschiebungen zeigen gute Übereinstimmung mit den Werten, die nach einem Modell gekoppelter Oszillatoren berechnet wurden. Weiterhin werden vergleichbare Energieverschiebungen unter- und oberhalb der Schwelle zum Polariton-Lasing beobachtet, sodass der Polariton-Stark-Effekt als eindeutiges Merkmal erachtet werden kann, anhand dessen optisch angeregte Polariton- und Photon-Laser eindeutig unterschieden werden können.
Wird das elektrische Feld nicht entlang der Wachstumsrichtung angelegt, sondern senkrecht dazu in der Ebene der Quantenfilme, dann kommt es schon bei geringen Feldstärken zur Feldionisation von Elektron-Loch-Paaren. Um diese Feldgeometrie zu realisieren, wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Kontakte direkt auf die durch einen Ätzvorgang teilweise freigelegten Quantenfilme eines undotierten Mikroresonators aufgebracht werden. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen den lateralen Kontakten kann die Polariton-Emission unterdrückt werden, wobei sich die Feldabhängigkeit der Polariton-Besetzung durch ein Modell gekoppelter Ratengleichungen reproduzieren lässt. Die neuartige Kontaktierung erlaubt es weiterhin den Photostrom in den Quantenfilmen zu untersuchen, der proportional zur Dichte freier Ladungsträger ist. Dadurch lässt sich zeigen, dass die zwei Schwellen mit nichtlinearem Anstieg der Emission, die in derartigen Proben häufig beobachtet werden, auf grundsätzlich verschiedene Verstärkungsmechanismen zurückgehen. An der zweiten Schwelle wird ein Abknicken des leistungsabhängigen Photostroms beobachtet, da dort freie Ladungsträger als Reservoir des Photon-Lasings dienen, deren Dichte an der Schwelle teilweise abgeklemmt wird. Die erste Schwelle hingegen, die dem Polariton-Lasing zugeordnet wird, hat keinen Einfluss auf den linear mit der Anregungsleistung ansteigenden Photostrom, da dort gebundene Elektron-Loch-Paare als Reservoir dienen. Mittels angepasster Ratengleichungsmodelle für Polariton- und Photon-Laser lässt sich der ermittelte Verlauf der Ladungsträgerdichte über den gesamten Leistungsbereich qualitativ reproduzieren.
Abschließend wird durch ein magnetisches Feld der Einfluss der Licht-Materie-Wechselwirkung auf die Elektron-Loch-Bindung im Regime der sehr starken Kopplung beleuchtet. Durch die Messung der diamagnetischen Verschiebung wird der mittlere Elektron-Loch-Abstand von unterem und oberem Polariton für zwei Resonatoren mit unterschiedlich starker Licht-Materie-Wechselwirkung bestimmt. Bei geringer Kopplungsstärke werden die Hybridmoden in guter Näherung als Linearkombinationen der ungekoppelten Licht- und Materie-Moden beschrieben. Für den Resonator mit großer Kopplungsstärke wird eine starke Asymmetrie zwischen unterem und oberem Polariton beobachtet. Die diamagnetische Verschiebung des oberen Polaritons steigt mit zunehmender Verstimmung auf bis etwa 2,1 meV an, was fast eine Größenordnung über der Verschiebung des unteren Polaritons (0,27 meV) bei derselben Verstimmung liegt und die Verschiebung des ungekoppelten Quantenfilms um mehr als den Faktor 2 übersteigt. Das bedeutet, dass das untere Polariton durch eine Wellenfunktion beschrieben wird, dessen Materie-Anteil einen verringerten mittleren Elektron-Loch-Abstand aufweist. Im oberen Polariton ist dieser mittlere Radius deutlich größer als der eines Elektron-Loch-Paars im ungekoppelten Quantenfilm, was sich durch eine von Photonen vermittelte Wechselwirkung mit angeregten und Kontinuumszuständen des Quantenfilms erklären lässt. / Strong light-matter interaction in semiconductor microcavities leads to the formation of eigenmodes with mixed light-matter characteristics, so-called polaritons. The unique properties of these bosonic quasiparticles may be exploited to realize novel devices, such as polariton-lasers which rely on stimulated scattering instead of stimulated emission, which in turn triggers photon-lasing. Polariton states are directly accessible in spectroscopic experiments and can be subjected to almost arbitrary potential landscapes which could lead to numerous applications, for instance in quantum simulation or emulation.
External electric and magnetic fields can be used to gain insights into polaritons that are not available in all-optical experiments. The matter part of the hybrid modes is accessed by the external fields that do not interact with purely photonic modes. Furthermore, in-situ manipulation of the polariton energy by external fields could be used to create dynamic potentials. This thesis is therefore focussed on studying different aspects of light-matter coupling under the influence of external fields. To this end, structures and devices tailored to the specific experiments were fabricated and investigated in electro-optical or magneto-optical measurements.
Doped microcavities with electrical contacts on the sample surface and back side were used to apply electric fields along the growth direction, i.e. in vertical geometry. The energy shift in an electric field, the so-called Stark effect, was investigated in these devices. In this work, measurements of the polariton Stark effect, which has previously been demonstrated in the linear regime, were systematically extended to the nonlinear regime of polariton-lasing with special attention paid to the sample geometry and its influence on the observable energy shifts. Investigations of samples with planar, semi-planar and micropillar geometries show that lateral carrier confinement in a micropillar leads to an inversion of the energy shift. While in this geometry a blueshift with increasing field strength is measured, which can be explained by screening effects, the expected redshift is restored in planar and semi-planar geometries. In both cases, detuning-dependent energy shifts of up to hundreds of µeV are observed in good agreement with values calculated with a model of coupled harmonic oscillators. Furthermore, comparable shifts below and above the polariton-lasing threshold are observed both in the semi-planar and in the micropillar geometry. The polariton Stark effect may therefore be considered as criterion to unambiguously distinguish optically excited polariton- and photon-lasers.
If the electric field is not oriented along the growth direction but perpendicular to it, i.e. in the plane of the quantum wells, then field ionization of electron-hole pairs occurs already at low field strengths. To realize this field geometry, a process was developed to deposit electrical contacts directly onto the quantum wells of an undoped microcavity which are partially exposed in an etching step. The polariton emission can be suppressed by applying voltage to the lateral contacts and the dependency of the polariton occupation upon the electric field is reproduced using a set of coupled rate equations. This novel contacting technique furthermore allows to measure the photocurrent in the quantum wells which is proportional to the free carrier density. The two thresholds of nonlinear emission, which are commonly observed in similar samples, can then be shown to rely on fundamentally different gain mechanisms. A kink in the power dependence of the photocurrent is observed at the second threshold, where free carriers act as reservoir for photon-lasing which is why their density is partially clamped at threshold. The first threshold on the other hand, which is attributed to polariton-lasing, has no influence on the linear increase of the photocurrent with increasing excitation power, since there bound electron-hole pairs act as reservoir. The experimentally determined power dependence of the photocurrent is reproduced qualitatively over the whole range of excitation powers using adapted rate equation models for polariton- and photon-lasers.
Finally, a magnetic field is used to reveal the impact of light-matter interactions on electron-hole coupling in the regime of very strong coupling. By measuring the diamagnetic shift, the average electron-hole separations of lower and upper polariton are determined for two microcavities with different light-matter coupling strengths. At small coupling strength, describing the hybrid modes as linear combinations of uncoupled light and matter modes is a valid approximation. At large coupling strength, significant asymmetries between lower and upper polariton are observed. With increasing detuning, the upper polariton diamagnetic shift increases up to 2.1 meV, almost an order of magnitude larger than the lower polariton shift (0.27 meV) at the same detuning and more than twice as large as the bare quantum well diamagnetic shift. Thus, the lower polariton is described by a wavefunction with a matter part exhibiting a decreased average electron-hole separation. For the upper polariton, this average radius is much larger than that of an electron-hole pair in the uncoupled quantum well which can be explained by photon-mediated interactions with excited and continuum states of the quantum well.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:20739 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Brodbeck, Sebastian |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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