Nonlinear interactions of confined microcavity polaritons

Das Thema dieser Dissertation ist die Spektroskopie an polaritonischen Mikrosäu- lenkavitäten. In diesen wird das Lichtfeld stark an Exzitonen in einem Halbleiterkristall gekoppelt und durch die Säulen auf ein Volumen in der Größenordnung weniger Kubikmikrometer eingeschlossen. Wir untersuchen bistabiles Verhalten, das durch die nichtlineare Wechselwirkung, welche Polaritonen von ihrem Materieanteil erben, verursacht wird. Um dieses Verhalten experimentell zu untersuchen entwickelten und realisierten wir einen optischen Aufbau mit einem umgebauten Kryostat in welchem Säulen mit wenigen Mikrometer Durchmesser resonant optisch angeregt werden kon- nten. Ein wichtiger Entwicklungsschritt dabei war es asphärische Linsen mit hoher numerischer Apertur und sehr kleinem Arbeitsabstand direkt in das Hitzeschild zu verbauen, welches unsere Probe vor Wärmestrahlung schützt. Die experimentellen Ergebnisse entsprechen der Theorie und sind ein wichtiger Schritt für die weitere Er- forschung der Manipulation von Strahlungsfeldern durch Kopplung an wechselwirk- ende Materie. Zusätzlich beschreiben wir nicht-resonante Experimente an Säulen mit Durchmessern bis zu einem Mikrometer und beobachten sehr starke Nichtliniearitäten in der Emission. Die Analyse unserer Messergebnisse entspricht dem zu erwartenden Verhalten von Polariton-Lasern. Unsere Ergebnisse zeigen dass das Anwachsen der Linienbreite nach der Laserschwelle zumindest zusätzlich durch Wechselwirkungen verursacht wird, und nicht nur durch Verluste, wie oft angenommen wird.
This thesis is about spectroscopy of polaritonic micropillar cavities. Light is strongly coupled to excitons in a solid-state crystal and confined to cubic micron sized vol- umes by means of circular pillars. We study the emergence of bistability caused by the nonlinear interactions that the polaritons inherit from their exciton part. For an exper- imental study we designed and assembled an optical setup with an adapted cryostat, which enabled the efficient coupling of light to pillars with a size of only a few microm- eters. One of the important developments was to mount aspheric lenses with a high NA and small working distance directly in the heat shield that protects the micropillar sample from heat radiation. The experimental findings are in good agreement with the theory and open the way to further studies of how to manipulate states of light by coupling it to the nonlinear interactions of confined matter excitations. Also, we present studies of non-resonant spectroscopy on micropillars with a diameter down to one micrometer and observe a pronounced nonlinear behavior of the emission. The results show all the characteristics expected of polariton lasing. In addition, we study line broadening for polariton lasing and argue its connection not only to loss but also nonlinear interactions.
author: Ulrich Czopak
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Dissertation University of Innsbruck 2023