Reaching Quantum Polaritons
- Autores: Blanca Silva Fernández
- Directores de la Tesis: Fabrice P. Laussy (dir. tes.), Daniele Sanvitto (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Viña (presid.), JOHANNES MAXIMILIAN FEIST (secret.), Ivan Shelykh (voc.), Dario Gerace (voc.), Elisabeth Giacobino (voc.)
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- Resumen
RE SUMEN (CAS T E L LANO) Los polaritones de tipo excitónico son quasipartículas generadas por la interacción de fotones con excitones (parejas de electrón-hueco) en un material semiconductor.
Han recibido gran atención desde su descubrimiento en 1992 ya que unen el estado sólido, la materia condensada y la física atómina y de QED en cavidades. Su interés ha crecido exponencialmente con con la observación de efectos tales como la condensación de Bose-Einstein (año 2006), su propagación superfluida (2009), sus propiedades cuánticas hidrodinámicas y solitónicas (2010-2012) y más recientemente fases exóticas, ingeniería de bandas, puntos excepcionales (2015) y otros efectos topológicos. Puesto que los polaritones se obtienen como el autoestado del hamiltoniano polaritónico (siendo por lo tanto una superposición cuántica fotón-excitón) siempre han sido tratados como el ejemplo máximo de los objetos cuánticos, con propiedades tales como el entrelazamiento y otros tipos de correlaciones cuánticas. Sin embargo, esta concepción supone un abuso de la terminología, puesto que ha sido demostrado (y aceptado) que todos los resultados experimentales hasta el día de hoy pueden igualmente ser descritos de forma clásica. Pese a esto, una de las prioridades actuales del campo polaritónico es el alcance de su nivel cuántico, ya que los polaritones aportan los tan buscados fotones con la capacidad de interaccionar, necesarios para el desarrollo de la información cuántica. Varios grupos de investigadores han intentado llegar a este régimen por más de una década sin obtener resultados positivos. La causa principal de estos intentos fallidos se encuentra en los cimientos de la teoría, puesto que siempre se ha asumido que serían las interacciones polaritón-polaritón las que permitirían transformar un campo incidente clásico en uno cuántico.
Esta tesis explora nuevas fronteras, combinando teoría y experimento, para alcalzar el nivel cuántico de los polaritones. Para ello, se emplean sistemas con grandes correlaciones tales como configuraciones OPO y nuevas técnicas experimentales para el estudio de correlaciones entre fotones con discriminación energética usando una streak camera. Paralelamente, se han desarrollado modelos teóricos para explicar los resultados y la comprensión y contro de las incertezas experimentales y falta de eficiencia en las medidas. Pese a que el primer compendio de medidas no permitió alcanzar el régimen quántico, el estudio de las correlaciones entre dos fotones con discriminación en frecuencias a lo largo de todo el espectro nos proporcionó nuevas perspectivas en el estudio del efecto de Hanbury Brown-Twiss, expandiéndolo al reino de los bosones coloridos, que muestran anticorrelaciones junto con el bien conocido bunching (correlaciones positivas).
1 En un segundo intento de alcanzar el régimen cuántico polaritónico, desarrollamos otro experimento basado en la excitación del sistema directamente con luz cuántica. Es decir, en vez de autogeneración de estados cuánticos, facilitamos el proceso imponiendo una excitación con un único fotón. De este modo superamos el objetivo principal de esta tesis: creamos por primera vez polaritones en el régimen cuántico. Es más, la obtención de estos únicos polaritones involucraron también el entrelazamiento entre un polaritón y un fotón externo, demostrando también no localidad en un nivel macroscópico. Finalmente demostramos el interés del alcance de este régimen cuántico a partir del estudio de interacciones polaritón-polaritón introduciendo un único polaritón en un condensado de polaritones creado con excitación clásica, siendo ésta la primera medida de espectroscopía cuántica.
AB S TRACT ( ENGL I SH) Exciton-polaritons are quasiparticles that arise from the interaction of photons with excitons (electron-hole pairs) in a semiconductor material. They have enjoyed a considerable attention since their discovery in 1992, since they bring together solid state, condensed-matter, atomic and cavity QED physics. Interest has been growing exponentially with subsequent reports of their Bose–Einstein condensation in 2006, of their superfluid propagation (in 2009), of their quantumhydrodynamics and solitonic attributes (2010-2012), and, more recently, exotic phases, band-engineering, exceptional points (2015) and other topological features.
Since polaritons, as eigenstates of the polariton Hamiltonian, are quantum superpositions of a photon and an exciton, they have always been regarded in the field as the epitome of quantum objects, featuring entanglement and other types of quantum correlations. This is however a (known and accepted) misuse of terminology as all the experimental findings so far can be equally accounted for by purely classical descriptions. Nevertheless, quantum polaritonics— bringing polaritons at the quantum-level—has remained a top priority of the field, for benefits such as providing the long-sought strongly interacting photons necessary for optical quantum information processing. While such attempts have been pursued by several groups for over a decade, they failed due to their relying on polariton-polariton interactions as the mechanism to turn an incident classical field into a quantum one.
This thesis explores new directions, combining theory and experiment, to reach the genuine quantum regime of polaritons, using strongly-correlated systems such as the OPO configurations and new experimental techniques, designed for the measurement of photon correlations with energy discrimination by means of a streak camera. Ad hoc theoretical models have been developed to explain the obtained results as well as to understand and control the effect 2 of the experimental uncertainties and deficiencies on the measurements. Although the first set of experiments did not achieve the quantum polaritonic regime, the measurement of the full frequency-frequency two-photon correlation spectrum provided us with a new perspective on the celebrated Hanbury Brown-Twiss effect, extending it to the realm of colored-bosons that also features anti-correlations in addition to the well-known bunching (positive correlations).
In a second attempt to reach the genuine quantum regime of polaritons, we pursued another method consisting in exciting directly the system with quantum light. That is to say, instead of self-servicing the generation of quantum states from within, we assisted this step by means of single-photon excitation.
With this experiment, the main objective has been fulfilled: polaritons have been created and observed in the genuine quantum regime for the first time. Furthermore, this involved the entanglement of a polariton to a single external photon, and therefore also demonstrates nonlocality at a macroscopic scale. Finally, the interest of reaching such a quantum regime has been demonstrated through the studies of the polariton-polariton interaction, by injecting a single polariton into a condensate of exciton-polaritons obtained by classical excitation, thereby realizing one of the first instance of quantum spectroscopy.
AB S TRACT ( I TAL IANO) I polaritoni eccitonici sono quasiparticelle che vengono a formarsi mediante l’interazione fra fotoni ed eccitoni (le coppie elettrone-lacuna) in un materiale semiconduttore. Essi hanno attratto una considerevole attenzione sin dalla loro scoperta nel 1992, fondamentalmente grazie alla loro capacità di unire la fisica dello stato solido, della materia condensata, atomica e della QED di cavità.
L’interesse attorno ad essi è cresciuto esponenzialmente con le successive osservazioni della loro condensazione di Bose Einstein nel 2006, della propagazione in regime superfluido (nel 2009), della loro idrodinamica quantistica e la loro caratteristica solitonica (2010-2012) fino ad arrivare, più recentemente, alle fasi esotiche, punti eccezionali (2015) e altre proprietà topologiche.
Siccome i polaritoni, in quanto autostati dell’Hamiltoniana polaritonica, rappresentano la sovrapposizione di un fotone e un eccitone, essi sono sempre stati considerati nel campo il paradigma dell’oggetto quantistico, con capacità di entanglement e altri tipi di correlazioni quantistica. Ad ogni modo questo è un abuso, seppur noto e accettato, di terminologia essendo tutti gli esperimenti realizzati fin ora ugualmente spiegabili mediante descrizioni puramente classiche.
3 Ciò nonostante, la polaritonica quantistica—che porterebbe quindi i polaritoni al livello quantico—rimane un’assoluta priorità nel campo, in quanto permetterebbe di trovare i tanto a lungo cercati fotoni fortemente interagenti, componenti necessari allo sviluppo dell’elaborazione quantistica dell’informazione.
Nonostante per più di un decennio vari tentativi in questa direzione siano stati effettuati da diversi gruppi, essi sono falliti a causa delle interazioni polaritonepolaritone su cui erano basati per la promozione del campo incidente da classico a quantistico.
Questa tesi esplora nuove direzioni, ricombinando teoria ed esperimento, al fine di raggiungere un genuino regime quantistico polaritonico, mediante l’utilizzo di sistemi fortemente correlati come le configurazioni OPO e nuove tecniche sperimentali, designate appositamente per la misura delle correlazioni fotoniche con capacità di risoluzione in energia grazie all’utilizzo di una streak camera. Sono stati sviluppati modelli teorici appositi per spiegare i risultati ottenuti e al fine di capire e controllare l’effetto dell’incertezza sperimentale e delle carenze delle misure. Sebbene il primo set di esperimenti non abbia raggiunto il regime quantistico polaritonico, la misurazione dell’intero spettro di correlazione frequenza-frequenza a due fotoni, ci ha portato a nuove prospettive sul celebrato effetto di Hanbury Brown-Twiss, con la sua estensione al reame dei bosoni colorati e la conseguente anti-correlazione in aggiunta al ben noto bunching (correlazione positiva).
In un secondo tentativo di raggiungere il regime quantistico dei polaritoni, abbiamo approfondito un diverso metodo consistente nell’eccitare direttamente il sistema con luce quantica. Con questo si vuole dire che, al posto di provvedere alla generazione di uno stato quantico dall’interno, l’abbiamo assistito passo passo per tramite dell’eccitazione di un singolo fotone. Con questo esperimento, il principale obiettivo è stato soddisfatto: i polaritoni sono stati creati e osservati in un regime quantistico genuino per la prima volta. Per di più questo ha comportato all’osservazione dell’entanglement di un polaritone con un singolo fotone esterno, e ha dimostrato la nonlocalità su scala macroscopica.
Infine, l’interesse nel raggiungimento di questo regime quantico è stato dimostrato attraverso lo studio dell’interazione polaritone-polaritone, iniettando un polaritone singolo in un condensato di polaritoni ottenuto eccitando classicamente il sistema, realizzando, di fatto, uno dei primi esempi di spettroscopia quantistica.
