Ruští a čínští vědci demonstrovali přechod mezi vazebními režimy v polaritonovém laseru

Ruští vědci ze Skolkovského institutu vědy a technologií (Skoltech) ve spolupráci s N. D. Zelinského institutem organické chemie a čínskou Westlake University experimentálně demonstrovali přechod mezi silným a slabým vazebním režimem v optickém systému, což otevírá cestu k přepínání provozního režimu polaritonového laseru. Výsledky výzkumu ukazují, že klíčovým parametrem pro řízení tohoto přechodu je tloušťka optické kavity, kterou vědci postupně zvyšovali a sledovali, jak se mění charakter interakce mezi světlem a hmotou uvnitř struktury.

Polaritonové lasery patří mezi zařízení, která využívají kvazičástice zvané exciton-polaritony, vznikající silnou vazbou mezi excitony (vázanými páry elektronu a díry) a fotony uvězněnými v optické kavitě. Tento typ laseru se liší od konvenčních laserů tím, že nevyžaduje takzvanou populační inverzi, což by teoreticky mohlo vést k nižší prahové hodnotě pro spuštění laserové emise a nižší spotřebě energie. Přechod mezi silným a slabým vazebním režimem přitom představuje zásadní fyzikální jev, který určuje, zda se systém chová jako polaritonový, nebo klasický laser.

V silném vazebním režimu dochází k tak rychlé výměně energie mezi excitony a fotony, že vznikají nové smíšené kvazičástice – polaritony – s vlastní disperzní křivkou, rozštěpenou na dvě větve. Ve slabém vazebním režimu naopak exciton a foton interagují méně efektivně, energie se mezi nimi nevyměňuje dostatečně rychle a systém se chová spíše jako soustava nezávislých emitorů a fotonového pole, což je charakteristické pro běžné polovodičové lasery.

Tým vědců podle dostupných informací zvolil jako experimentální proměnnou tloušťku optické kavity, tedy vrstvy, v níž je zachycováno světlo a kde dochází k jeho interakci s excitony v aktivním materiálu. Postupným zvyšováním tloušťky kavity se mění poměr mezi rychlostí výměny energie (Rabiho frekvencí) a rychlostí ztrát fotonů z kavity. Když ztráty převáží nad rychlostí výměny energie, systém přechází ze silného do slabého vazebního režimu, a naopak.

Experimentální demonstrace tohoto přechodu má význam pro budoucí vývoj optoelektronických zařízení, protože umožňuje v jednom materiálovém systému přepínat mezi dvěma odlišnými fyzikálními režimy fungování laseru. To by mohlo v budoucnu vést k vývoji přeladitelných optických zdrojů, které by bylo možné podle potřeby provozovat buď jako energeticky úspornější polaritonové lasery, nebo jako konvenční laserové zdroje s jinými charakteristikami emise.

Spolupráce mezi Skoltech, N. D. Zelinského institutem organické chemie a Westlake University naznačuje, že výzkum zahrnoval jak teoretickou a experimentální fyziku kondenzovaných látek, tak práci s organickými materiály, které se v posledních letech stále častěji používají jako aktivní médium pro excitony v polaritonových systémech díky své vysoké vazebné energii excitonů, umožňující pozorovat tyto jevy i za pokojové teploty.

Výzkum v oblasti polaritonových laserů a přechodů mezi vazebnými režimy pokračuje již řadu let po celém světě, přičemž hlavním cílem zůstává nalezení praktických aplikací pro nízkoprahové a energeticky efektivní zdroje koherentního světla. Demonstrace kontrolovaného přechodu mezi režimy prostřednictvím jednoduchého strukturního parametru, jakým je tloušťka kavity, představ