光控势阱中激子极化激元的非基态凝聚及其动力学研究

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激子极化激元是半导体中的电子-空穴对与微腔光子之间强耦合而形成的一种半光半物质的准粒子,其独特的物理性质和广泛的应用前景倍受研究者的青睐。激子极化激元的有效质量很小(约为电子静止质量的10-5倍),是研究众多新奇物理现象(如玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)、超流、涡旋等)的理想载体。为实现激子极化激元在全光器件等前沿领域的广泛应用,对激子极化激元能态的有效控制至关重要。针对这个目的,一个行之有效的方法是引入势阱对激子极化激元进行空间束缚。近年来,人们通过机械刻蚀等方法引入静态势垒来调控激子极化激元的能态,在理论和实验方面均已取得一定的成果,如蒸发冷却、激子极化激元成键态和反成键态等。然而,通过机械刻蚀等方法引入的势垒存在着制作工艺复杂,势场参数无法后期按需更改等弊端。如何实现对势场的实时、动态调控成为激子极化激元在基础物理及器件应用研究方面的前沿课题。在本论文中,我们采用纯光学的方法在一维Zn O回音壁微腔中引入可动态调控的势阱,并深入研究在这种受限体系中激子极化激元的凝聚特征以及纯量子态转变的动力学行为。论文的具体内容包括:(1)通过化学气相沉积法生长出表面光滑、具有正六边形截面的Zn O光学微腔,作为本论文实验研究的样品。在此基础上,采用非共振激发方法在一维Zn O微米棒中实现势垒的纯光学注入。(2)利用激光自身的高斯型的光强分布特征,采用双光束泵浦的方法,在一维Zn O回音壁微腔中产生可动态调控的抛物线型势阱,以实现对激子极化激元的全光束缚,进而将激子极化激元的能态由连续态调制为量子化的谐振子能态。在测量方面,通过自主搭建的角分辨荧光光谱系统对激子极化激元在抛物线型势阱中的凝聚特征进行了详细的研究。(3)发展了利用泵浦光强度和光束间距两种调控势阱几何形态的手段,探讨光控势阱中激子极化激元倾向激发态凝聚的原因。理论上,通过对激子库波函数和势阱中各子能态波函数分布的计算,阐明了激子极化激元在光控势阱中倾向最高激发态凝聚的物理机制。
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