Development of perovskite microcavities exhibiting strong light matter coupling and Rashba-Dresselhaus effects at room temperature

Abstract

Over the years there has been a grown interest for artificial gauge fields in physics. A synthetic gauge field is the tailoring of specific conditions such that some quantity of neutral particles emulates the dynamics of charged particles in a magnetic field. In condensed matter physics, the spin orbit interaction, can be exploited to influence the movement of electrons through an effective magnetic field. In crystals and heterostructures lacking inversion symmetry, electrons feel the effect of effective spin orbit couplings called Dresselhaus and Rashba, usually combined together to describe their dynamics. Gauge fields due to spin-orbit coupling (SOC) play a central role in a number of exciting phenomena, accurately described topologically, where concepts such as the Berry phase and curvature enter the system Hamiltonian, taking the role of an effective magnetic field. In this thesis, we realize an artificial gauge field for light in planar DBR microcavities containing perovskite crystals. Perovskites crystals are well known for their huge excitonic binding energy and their robust emission. They are also high anisotropic materials possessing a large linear birefringence. By harnessing these properties, and using a novel fabrication technique, we achieve the observation of strong light-matter coupling between optical cavity modes and perovskite excitons at room temperature. Furthermore, the combination of TE-TM polarization splitting and the material’s anisotropy leads to the interaction between the photonic and polaritonic modes, realizing characteristic Rashba-Dresselhaus texture effects with the emergence of an effective magnetic field and nonzero Berry curvature. These phenomena are described by a derived effective Hamiltonian for a general birefringent material inside a microcavity and can be utilized for the design of artificial gauge fields for light in polaritonic systems with the further advantage of coherent lasing emission at room temperature.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει αυξημένο ενδιαφέρον για τη δημιουργία τεχνητών πεδίων αλληλεπίδρασης στη φυσική. Ένα συνθετικό πεδίο αλληλεπίδρασης δημιουργείται με την προσαρμογή συγκεκριμένων συνθηκών, έτσι ώστε κάποια ποσότητα ουδέτερων σωματιδίων να μιμείται τη δυναμική των φορτισμένων σωματιδίων σε ένα μαγνητικό πεδίο. Στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, η αλληλεπίδραση τροχιάς-σπιν, μπορεί να αξιοποιηθεί για να επηρεάσει την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσω ενός υποθετικού μαγνητικού πεδίου. Σε κρυστάλλους και ετεροδομές που δεν έχουν συμμετρία αναστροφής, τα ηλεκτρόνια αισθάνονται την επίδραση συζεύξεων τροχιάς-σπιν που ονομάζονται Dresselhaus και Rashba και συνήθως συνδυάζονται μαζί για να περιγράψουν τη δυναμική τους. Τα πεδία αλληλεπίδρασης λόγω σύζευξης τροχιάς-σπιν (SOC) παίζουν κεντρικό ρόλο σε μια σειρά από συναρπαστικά φαινόμενα, που περιγράφονται με ακρίβεια τοπολογικά, όπου έννοιες όπως η φάση και καμπυλότητα Berry εισέρχονται στη Χαμιλτονιανή του συστήματος, παίρνοντας το ρόλο ενός υποθετικού μαγνητικού πεδίου. Σε αυτή τη διατριβή, δημιουργούμε ένα τεχνητό πεδίο αλληλεπίδρασης για το φως σε επίπεδες DBR μικροκοιλότητες που περιέχουν κρυστάλλους περοβσκίτη. Οι περοβσκιτικοί κρύσταλλοι είναι γνωστοί για την τεράστια εξιτονική τους ενέργεια δέσμευσης και την ισχυρή εκπομπή τους. Είναι επίσης υλικά υψηλής ανισοτροπίας που διαθέτουν μεγάλη γραμμική διπλή διάθλαση. Αξιοποιώντας αυτές τις ιδιότητες και χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική κατασκευής, επιτυγχάνουμε την παρατήρηση ισχυρής σύζευξης φωτός-ύλης μεταξύ οπτικών τρόπων ταλάντωσης της κοιλότητας και εξιτονίων περοβσκίτη σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, ο συνδυασμός του πολωτικού διαχωρισμού TE-TM και της ανισοτροπίας του υλικού οδηγεί στην αλληλεπίδραση μεταξύ των φωτονικών και πολαριτονικών καταστάσεων, δημιουργώντας χαρακτηριστικής υφής Rashba-Dresselhaus φαινόμενα με την εμφάνιση ενός υποθετικού μαγνητικού πεδίου και μη μηδενικής καμπυλότητας Berry. Αυτά τα φαινόμενα περιγράφονται από μια Χαμιλτονινή που εξάχθηκε για ένα γενικό διπλοδιαθλαστικό υλικό μέσα σε μια μικροκοιλότητα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το σχεδιασμό τεχνητών πεδίων αλληλεπίδρασης για το φως σε πολαριτονικά συστήματα με το περαιτέρω πλεονέκτημα της εκπομπής λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου.