Ultravahvasti kytkeytyneet eksitoni-polaritonit ja niiden sovelluksia

Abstract

Valon ja materian kytkentä tarkoittaa komponenttien välistä vuorovaikutusta keskenään, eli sitä kuinka energia sirtyy näiden välillä. Materia-komponenttina tässä tutkielmassa toimii eksitoni, eli elektroniaukkopari. Eksitonia voidaan ajatella myös kaksitasosysteeminä. Valo-komponenttina toimii fotoni, eli elektromagneettisen aallon energiapaketti. Kytkennän tieteenala on kehittynyt viime vuosikymmenien aikana huomattavasti mahdollistaen erittäin suuria kytkentävahvuuksia sekä mahdollisia sovelluksia. Valon ja kaksitasosysteemin välillä voi tapahtua kolme mahdollista vuorovaikutusta, absorptio, emissio, sekä stimuloitu emissio. Absorptiossa kaksitasosysteemi ”imee” fotonin, emissiossa kaksitasosysteemi emittoi fotonin, sekä stimuloidussa emissiossa kaksitasosysteemi emittoi fotonin toisen fotonin stimuloimana. Vahvemman fotonin ja kaksitasosysteemin välisen kytkennän mahdollistamiseksi käytetään optista kaviteettia. Kaviteetissa valo kimpoaa peilien välillä, vuorovaikuttaen peilien välisen puolijohteen kanssa. Valon tulokulman kasvaessa kaviteettiin nähden resonoivat aallonpituudet lyhenevät, tätä sanotaan resonanssin sinisiirtymäksi. Kaviteetti voi toimia ohutkalvofiltterinä, joka päästää vain tietyt aallonpituudet läpi. Tulokulman kasvaessa filtteri päästää lyhyempiä aallonpituuksia kuin mitä suunniteltu, tämä ei ole siis haluttu ominaisuus. Kytkentävahvuuden kasvaessa suuremmaksi kuin systeemin häviönopeudet, on systeemi vahvalla kytkentäalueella. Vahvalla kytkentäalueella syntyy kaviteettimoodin ja eksitonin välinen hybriditila, eli eksitoni-polaritoni. Eksitoni-polaritonilla on kaksi uutta energiatilaa, ylempi ja alempi polaritoni. Eksitoni-polaritonien syntyminen huoneenlämmössä on mahdollista orgaanisten puolijohteiden avulla. Lisäksi orgaaniset puolijohteet soveltuvat kytkentään hyvin, koska ne absorboivat hyvin fotoneita. Kytkentävahvuuden ollessa verrannollinen systeemin ominaistaajuuksiin, on systeemi ultravahvalla kytkentäalueella. Ultravahvalla kytkentäalueella on vaikutusta valon dispersioon. Säädettäessä parametrejä, ultravahvasti kytkeytynyt kaviteetti voi olla miltei täysin tulokulmasta riippumaton. Koska kaviteetti toimii ohutkalvona, voidaan ultravahvasti kytkeytyneitä orgaanisia eksitoni-polaritoneja käyttää interferenssikalvojen suunnitteluun. Näiden ultravahvasti kytkeytyneet ohutkalvot mahdollistavat tulokulmasta riippumatonta läpäisyä. Lisäksi ne voidaan suunnitella päästämään läpi vain erittäin pienen osan näkyvän valon spektristä. Tällaisia ohutkalvoja voitaisiin käyttää esimerkiksi tarkkoihin sensoreihin, tai tietokoneen näyttöihin. Lisäksi orgaaniset aineet ovat usein joustavia, joten näillä ohutkalvoilla voitaisiin päällystää myös kaarevia pintoja. Ultravahvaan kytkentään liittyvät sovellukset ovat vielä suunnitteluvaiheessa. Ala kehittyy kuitenkin nopeaa vauhtia.