Экситон-Поляритоны в Плоских Волноводах Полного Внутреннего Отражения

С момента открытия сильной связи между электромагнитным полем и материальными резонансами наблюдался постоянный рост интереса к исследованиям экситон-поляритонов в полупроводниковых гетероструктурах. Эти квазичастицы, возникающие в ходе экситон-фотонного взаимодействия, наследуют характерные свойства от своих родителей: сильную нелинейность вследствие экситон-экситонного взаимодействия и малую эффективную массу из-за своей фотонной природы. Учёные по всему миру добились огромных успехов в наблюдении ряда важных квантовых эффектов на экситон-поляритонах в высокодобротных брэгговских микрорезонаторах с квантовой ямой: стимулированного поляритонного рассеяния, поляритонной Бозе-Эйнштейновской конденсации и сверхтекучести поляритонного конденсата.

В последние годы были сделаны значительные шаги к использованию планарных волноводов в качестве среды для наблюдения бегущих поляритонов с большой дальностью распространения. Плоские волноводы полного внутреннего отражения (ПОВ ПВО) обладают рядом преимуществ по сравнению с брэгговскими: относительно небольшая толщина гетероструктуры, простота роста и практически полное отсутствие утечек света из волновода. Эти факторы и стремительный прогресс технологии молекулярно-пучковой эпитаксии для производства квантовых ям дают основания надеяться на успех в обнаружении эффекта сильной связи в таких системах.

Эксперимент

Здесь показан экспериментальный подход и представлены результаты для образца Т699р2 - асимметричного ПОВ ПВО со слоем 930 нм Al3%GaAs в качестве волноводного промежутка, в середине которого располагается 13.7 нм GaAs квантовая яма. Обкладкой волновода служат вакуум и слой Al30%GaAs толщиной 960 нм.

Прежде всего необходимо решить проблему ввода света в образец. Невозможно напрямую возбудить одну из мод плоского волновода ПВО из верхнего или нижнего полупространства, потому что нельзя получить угол распространения света внутри волноводного промежутка, превышающий характеристический угол для границы обкладка-сердцевина. Очевидным решением является засветка образца с торца. Этот вариант требует решения ряда сложных инженерных задач из-за малого размера волноводного промежутка (930нм): размещения микрообъектива внутри холодного пальца криостата, идеальной юстировки оптики и полного отсутствия вибраций в схеме.

Кроме этого ввод света в ПОВ ПВО может быть осуществлён через дифракционную решетку, размещённую на поверхности образца. Этот способ позволяет обойти закон преломления Снелла и аккуратным подбором параметров достичь любого желаемого значения угла распространения света в сердцевине волновода. С помощью травления направленным потоком ионной Ar+ плазмы через PMMA-маску, нанесённую методом электронной литографии, на поверхности образца был создан набор дифракционных решеток с шириной 300 мкм, периодом 250 нм и глубиной 100 нм. Период был выбран так, чтобы внутри волноводного промежутка существовал лишь первый дифракционный порядок с углом дифракции около 70°, что практически совпадает с углом распространения низшей моды для волновода с заданными геометрическими параметрами и химическим составом. Результаты, представленные здесь, были получены для решетки #3 с расстоянием от края решетки до торца в 100 мкм (Рис.1).

В ходе эксперимента образец находится в гелиевом криостате замкнутого цикла Cryomech ST15 при температуре 10К. Свет перестраиваемого CW-лазера Sacher Lasertechnik Lynx TEC-120 вводится в низшую волноводную моду первым дифракционным рефлексом решетки. Свет, выходящий с торца образца, собирается короткофокусным объективом в большом телесном угле и детектируется с помощью ФЭУ (Рис.2). Экспериментальная установка позволяет осуществлять быстрое сканирование угла падения света на образец α и медленное сканирование энергии фотонов E пробного лазерного света.

Результаты

Вдали от экситонных резонансов зависимость интенсивности сигнала от угла падения света при заданной длине волны имеет максимум, соответствующий фотонной моде волновода ПВО с поляризационным расщеплением 4 мэВ. При энергиях, близких к резонансам экситона с тяжелой дыркой (HH) и лёгкой дыркой (LH) мы наблюдаем эффект антипересечения вследствие наличия сильной связи между фотонной и экситонной модами (Рис.3&4). Максимальное расщепление для HH-экситона было достигнуто в S-поляризации (c расщеплением Раби ΩHH, S = 2.6 мэВ). Для LH-экситона - в P-поляризации с ΩLH, P = 2.8 мэВ.

Данные исследования частично поддержаны РФФИ, грант No. 15-02-07668 a.
Работа выполнена на оборудовании ресурсного центра "Нанофотоника" (http://www.photon.spbu.ru).

Более подробную информацию о экситон-поляритонах в брэгговских волноводах и волноводах ПВО можно найти в следующих публикациях:
[1] C. Weisbuch, M. Nishioka, A. Ishikawa, and Y. Arakawa, Phys. Rev. Lett. 69 N23, 3314 (1992).
[2] J. Kasprzak et al., Nature 443, 409-414 (2006).
[3] A. Amo et al., Nature Physics 5, 805-810 (2009).
[4] P. M. Walker et al., Appl. Phys. Lett. 102, 012109 (2013).

Информацию об успехах технологии молекулярно-пучковой эпитаксии в производстве квантовых ям можно найти в недавних публикациях нашего научного коллектива:
[1] S.V. Poltavtsev et al., Solid State Comm. 199, 47-51 (2014).
[2] I.A. Solovev et al., Journal of Physics: Conference Series 643, 012085 1-4 (2015).

Скачать PDF-версию



Рис.1. Дифракционная решетка, нанесённая на повехность образца методом травления Ar+ плазмой через PMMA-маску.



Рис.2. Схема эксперимента.


Рис.3. Трёхмерные данные, полученные в эксперименте: спектрально-угловая зависимость интенсивности сигнала.


Рис.4. Угловая зависимость энергетического положения максимума сигнала и спектральная зависимость интенсивности сигнала.