Проект 19-52-12032

Тип проекта: РФФИ-ННИО_а
Название проекта: «Бозонный спиновый транспорт в поляритонных конденсатах»
Руководитель проекта: А. В. Кавокин
№ РФФИ: 19-52-12032
Начало проекта: 2019
Конец проекта: 2022
Исполнители:
М. М. Афанасьев
В. К. Калевич
М. Ю. Петров
В. А. Лукошкин
А. Д. Любомиров
Р. В. Чербунин
А. В. Михайлов
И. И. Рыжов

Аннотация: Активно взаимодействующие со светом экситон-поляритоны в полупроводниковых микрорезонаторах являются исключительно перспективными системами для когерентного оптического управления спиновыми состояниями. Поскольку световое поле внутри резонатора непосредственно входит в композитную волновую функцию поляритонного состояния, то, меняя параметры возбуждающего излучения, можно непосредственно управлять свойствами поляритонных систем, фиксируя их изменения с помощью выходящего из резонатора светового поля. В настоящем проекте мы планируем использование неизлучающих экситонов для формирования в полупроводниковых микрорезонаторах долго живущего потенциального ландшафта и создания тем самым пространственно протяженных спин-чувствительных функциональных элементов. На первом этапе исследований мы планируем изучение возможности управления поляритонными спинами с использованием спин-зависящих поляритонных взаимодействий. Будут исследоваться такие свойства протяженных поляритонных систем как формирование спиновых картин с помощью распространяющихся поляритонов, спиновый шум поляритонов и динамика поляритонного взаимодействия с другими носителями. Получаемые на этом этапе результаты будут детально анализироваться с целью оценки возможности создания пространственно протяженных управляемых спиновых функциональных систем. Полученные к настоящему моменту предварительные результаты показывают, что при нерезонансном оптическом возбуждении поляритонов рождается огромное количество неизлучающих экситонов. Экситоны создают потенциал порядка сотен mkeV, сохраняющийся примерно в течение 104 времен жизни поляритонов. Поскольку это время значительно больше периода следования возбуждающих лазерных импульсов, то непосредственное изучение динамики неизлучающих экситонов крайне затруднено. Мы планируем получить информацию об этой динамике, изучая создаваемый неизлучающими экситонами спектральный сдвиг нижней поляритонной ветви, используя при этом последовательности прореженных лазерных импульсов. Далее, мы изучим возможность использования созданных таким способом долго живущих потенциалов для управления поляритонным спином. Мы изучим влияние внешнего магнитного поля на оптическую прозрачность микрорезонатора. Перестраивая соответствующим образом спектрально узкий линейно поляризованный лазерный пучок мы сможем создать потенциал, согласующий расщепленные спиновые состояния, и при этом не вводить в резонанс нижнее спиновое состояние. При этом мы постараемся сформировать пространственно протяженные спиновые структуры с использованием нерезонансной оптической накачки. Зеемановское расщепление поляритонов ограничивается спиновым эффектом Мейсснера и в реальных магнитных полях не превышает 100 mkeV. Этого не достаточно для изучения само захвата поляритонов за счет эффекта магнитного полярона, поэтому мы предполагаем ввести в микрорезонатор магнито разбавленную квантовую яму, характеризуемую гигантским Зеемановским расщеплением вплоть до 1 meV. На следующих этапах мы планируем изучение спиновых токов в круговых поляритонных конденсатах, создаваемых оптической накачкой помещенных в микропиллары резонаторов. Ранее мы уже наблюдали незатухающие поляритнные токи в кольцах конденсатов диаметром в несколько десятков микрон. Такие системы очень перспективны для реализации незатухающих спиновых токов. С этой целью мы планируем проведение разрешенных по поляризации ближне-полевых люминесцентных и интерферометрических измерений на высокодобротных GaAs микрорезонаторах, помещенных в микропиллар. Экспериментальные данные будут сопоставлены с результатами расчетов, проведенных с использованием спин зависимых диссипативных уравнений Гросса-Питаевского.

Annotation: Exciton-polaritons are a highly attractive system for coherent optical spin manipulation in semiconductor structures due to the ease of optical access. As the light field inside the structure is already a part of the polariton wavefunction, the polariton properties can be tailored directly using the excitation light field and studied directly using the emitted light field. In this project we intend to tailor long-lived potential landscapes via dark excitons in order to create spatially extended spin-sensitive functional elements based on polaritons. In the first funding period, we focused mainly on feasibility studies of polariton spin control with respect to the basic mechanisms that govern spin-dependent polariton interactions. These included properties of spatially extended polariton systems such as the propagating polariton spin patterns], the spin noise properties and the time-dependence of polariton interactions with other carriers. As a first step, we will set out to combine the topics studied during the first funding period in order to realize spatially extended tailored spin functionality. To this end, preliminary results have shown that non-resonant excitation of a polariton system creates a significant number of dark excitons. These act as a long-lived potential on the order of hundreds of mkeV which lasts for about 104 polariton lifetimes. As this time is longer than the typical separation between consecutive excitation pulses, the exact dynamics are still unknown. Therefore, we will first investigate the temporal dynamics of the dark exciton population by monitoring the spectral shift they exert on the lower polariton state for tailored pulse sequences with reduced repetition rate. In a second step, we will use these optically created long-lived potentials to control the polariton spin. Here we aim at monitoring the resonant transmission through the cavity subject to an external magnetic field. While monitoring a spectrally narrow linearly polarized laser that is initially resonant with the higher energy spin state, we will introduce a potential that matches the splitting between the spin states. This will instead shift the lower energy spin state into resonance. We will attempt to tailor the non-resonant excitation pulse to realize spatially extended spin patterns. Due to the spin-Meissner effect, the Zeeman splitting that can be reached in conventional polariton systems for realistic magnetic fields is limited to about 100 mkeV. In order to realize larger splittings, we will turn to microcavities containing diluted magnetic semiconductor quantum wells, which show giant Zeeman splittings of more than one meV, which will also allow us to study related effects such as polariton self-trapping due to magnetic polaron effects. We shall also study spin currents in circular polariton condensates formed by optical pimping in pillar microcavities. Recently, we have observed persistent polariton currents in condensate rings of the diameters of several tens of microns. The system is highly promising for the observation of persistent spin currents. In order to reveal them, we shall perform polarization-resolved near-field photoluminescence and interferometry measurements on high-Q GaAs based micropillar samples under non-resonant optical excitation. The experimental results will be compared with the results of simulations based on the spin-resolved driven-dissipative Gross-Pitaevskii equations

Publications:

  1. А.В. Михайлов, А.В. Трифонов, О.С. Султанов, И.Ю. Югова and И.В. Игнатьев, Квантовые биения экситонов с легкими и тяжелыми дырками в спектрах отражения в квантовой яме GaAs/AlGaAs, ФТП 56, 7, 672 (2022)
  2. A. S. Kurdyubov, A. V. Trifonov, I. Ya. Gerlovin, B. F. Gribakin, P. S. Grigoryev, A. V. Mikhailov, I. V. Ignatiev, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. A. Lovtcius, M. Aßmann, M. Bayer and A. V. Kavokin, Optical control of a dark exciton reservoir, Phys. Rev. B 104, 035414 (2021)
  3. Dario Ballarini, Igor Chestnov, Davide Caputo, Milena De Giorgi, Lorenzo Dominici, Kenneth West, Loren N. Pfeiffer, Giuseppe Gigli, Alexey Kavokin and Daniele Sanvitto, Self-Trapping of Exciton-Polariton Condensates in GaAs Microcavities, Phys. Rev. Lett. 123, 047401 (2019)
  4. D. Schmidt, B. Berger, M. Kahlert, M. Bayer, C. Schneider, S. Höfling, E. S. Sedov, A. V. Kavokin, and M. Aßmann, Tracking Dark Excitons with Exciton Polaritons in Semiconductor Microcavities, Phys. Rev. Lett. 122, 047403 (2019)
  5. A. V. Trifonov, E. S. Khramtsov, K. V. Kavokin, I. V. Ignatiev, A. V. Kavokin, Y. P. Efimov, S. A. Eliseev, P.Yu. Shapochkin, and M. Bayer, Nanosecond Spin Coherence Time of Nonradiative Excitons in GaAs/AlGaAs Quantum Wells, Phys. Rev. Lett. 122, 147401 (2019)