Superfluoreszenz (SF) als kooperativer Strahlungseffekt, der aus Vakuumquantenfluktuationen entsteht, ist eine ideale Plattform für die Untersuchung von Vielteilchenkorrelationsmechanismen in einem Exzitonenensemble und für die Entwicklung optisch ultraschneller Techniken an hellen Quantenlichtquellen. In jüngster Zeit waren die Beobachtungen von Superfluoreszenzeffekten bei unterschiedlichen Strahlungsmaterialien oder bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen ein heißes Thema. Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Untersuchung und Diskussion der Gründung von SF selbst.
In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Zheng Sun und Professor Wei Xie sowie Kollegen vom State Key Laboratory of Precision Spectroscopy der East China Normal University in Shanghai die Entwicklung des Superfluoreszenzfeldes in Kombination mit dem Forschungsgebiet der Polaritonen vorgeschlagen.
Sie behaupten ausdrücklich, zum ersten Mal nicht nur den Superfluoreszenzeffekt zu beobachten, sondern auch den kollektiven Zustand des Dipol-Ensembles zu kontrollieren, indem sie eine neue regulatorische Dimension der Kopplung von Lichtfeldern einbeziehen. Ihre experimentellen und theoretischen Arbeiten, die in diesem Artikel beschrieben werden, liefern starke Beweise für die Entdeckung eines neuen Quasiteilchens des kooperativen Exziton-Polaritons (CEP) und des Phasenübergangs von Superfluoreszenz zur CEP-Kondensation.
Sie demonstrieren eine Licht-Materie-Hybridstruktur aus einem Perowskit-Quantenpunktfilm und einem einfachen Halbschicht-Bragg-Spiegel. Das kooperative Exziton-Polariton wird formalisiert, indem ein Ensemble synchronisierter Exzisionen an einen ausgewählten optischen Bragg-Modus gekoppelt wird. Oberhalb der Dichteschwelle erfolgt die Kondensation aufgrund der entscheidenden Rolle kooperativer Extraktionen in einem Impulszustand ungleich Null auf dem unteren Polaritonzweig. Der Phasenübergang weist wesentliche Merkmale einer Abnahme der Linienbreite, einer Zunahme der makroskopischen Kohärenz sowie einer beschleunigten Strahlungszerfallsrate auf.
Die Wissenschaftler fassen den zugrunde liegenden physikalischen Mechanismus für den Phasenübergang von der Superfluoreszenz zur CEP-Kondensation ihrer Hybridstruktur zusammen: „Wir demonstrieren die starke Kopplung zwischen den kooperativen Exzitonen und Bragg-Photonen in einem Perowskit-QDs-basierten Halbhohlraum mit einer Rabi-Aufspaltung von 21,6 meV.“ .“
„Wir erreichen die kooperative Exziton-Polariton-Kondensation. Es hat sich gezeigt, dass die beteiligten korrelierten Exzitonen die Kopplungsstärke erheblich erhöhen, was auf den kooperativen Effekt zurückgeführt werden kann, der die Synchronisation der zufälligen Phasen des Exzitons induziert, um so einen riesigen Dipol zu bilden.“ Dadurch kann eine Kondensation stattfinden, die über das hinausgeht, was auf der Ebene des einzelnen QD möglich ist“, fügen sie hinzu.
„Die vorliegende Demonstration der neuen Quasiteilchenkondensation ermöglicht neue potenzielle Anwendungen für die Entwicklung ultraschmaler abstimmbarer Laser. Darüber hinaus ist die Möglichkeit, den Kondensationsfluss zu steuern und ihn somit als Bausteine für verschiedene optoelektronische Geräte zu nutzen, ein weiteres spannendes Feld, das ein solcher bietet.“ Perowskit-QDs-System“, sagt das Team.
Mehr Informationen:
Danqun Mao et al., Beobachtung des Übergangs von Superfluoreszenz zur Polaritonenkondensation in einem CsPbBr3-Quantenpunktfilm, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01378-5