Development of prototype polaritonic devices exploiting the macroscopic bosonic properties of polaritons in semiconductor microcavities

Abstract

Utilization of the bosonic character of polaritons for the formation of polariton condensates and exploitation of their strong non-linearities and large coherent lengths offer the possibility of creating novel opto-electronic devices. The existence of strong coupling regime in semiconductor microcavities at room temperature is of significant importance when trying to realize practical technological applications. We initially, present our experimental study on the control and manipulation of polariton condensates and explore the possibility of room temperature operation. Then, we investigate the existence of strong coupling regime in a hybrid organic-inorganic microcavity that utilizes the organic component to achieve polariton lasing near room temperature. In addition, we show strong coupling at elevated temperatures for a hybrid polariton light emitting diode by efficient electrical injection through the inorganic part of the structure. Furthermore, we realize a polariton based THz detector by investigating polariton interference patterns created on a high quality semiconductor microcavity ridge. By angle-resolved real space spectroscopy we measure the change in rate of the spatial frequency of polaritons induced by local temperature changes and estimate the sensitivity of a polariton ring interferometer device.

Η αξιοποίηση του μποζονικού χαρακτήρα των πολαριτονίων για το σχηματισμό πολαριτονικών συμπυκνωμάτων καθώς και η εκμετάλλευση των ισχυρών μη γραμμικών ιδιοτήτων και το μεγάλο μήκος συμφωνίας τους προσφέρουν τη δυνατότητα δημιουργίας νέων οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Η ύπαρξη του καθεστώτος ισχυρής σύζευξης στις ημιαγώγιμες μικροκοιλότητες σε θερμοκρασία δωματίου έχει ιδιαίτερη σημασία για πρακτικές τεχνολογικές εφαρμογές. Αρχικά, παραθέτουμε τα αποτελέσματα της πειραματικής μας μελέτης όσο αφορά τον έλεγχο και τον χειρισμό των πολαριτονικών συμπυκνωμάτων και ερευνούμε την δυνατότητα λειτουργίας τους σε θερμοκρασία δωματίου. Έπειτα, ερευνούμε την ύπαρξη καθεστώτος ισχυρής σύζευξης σε υβριδικές οργανικές-ανόργανες μικροκοιλότητες οι οποίες αξιοποιούν το οργανικό υλικό για να επιτύχουν μη γραμμική εκπομπή φωτός απο πολαριτόνια (polariton lasing) κοντά σε θερμοκρασία δωματίου. Επιλέον, παρουσιάζουμε την ύπαρξη ισχυρής σύζευξης σε υψηλές θερμοκρασίες για μια υβριδική πολαριτονική δίοδο εκπομπής φωτός μέσω αποτελεσματικής ηλεκτρικής άντλησης του ανόργανου μέρους της ημιαγώγιμης δομής. Επίσης, προτείνουμε ένα THz βολόμετρο βασισμένο σε πολαριτόνια ερευνώντας την συμβολή των πολαριτονίων που δημιουργούνται σε μια ειδικά σχεδιασμένη δομή κυματοδηγού σε ημιαγωγικές μικροκοιλότητες υψηλής ποιότητας. Μέσω γωνιακά αναλυόμενης φασματοσκοπίας στον πραγματικό χώρο μετρήσαμε την αλλαγή στο ρυθμό της χωρικής συχνότητας των πολαριτονίων που προκύπτει απο την τοπική αύξηση της θερμοκρασίας. Τέλος, εκτιμήσαμε την ευαισθησία ενός πολαριτονικού συμβολόμετρου βασισμένο σε μια διάταξη με την μορφή δακτυλίου.