半导体光学微腔系统的集体辐射和相位关联

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多体系统中粒子的合作行为,以及若干个系统之间的关联一直是物理学中非常重要的问题。例如在极低温度下,原子气体通过粒子间的相互作用可以形成玻色-爱因斯坦凝聚。相比之下,固体材料中由电子-空穴-光子耦合形成的极化激元拥有比普通原子小得多的有效质量,因此可以在更高温度下形成激子-极化激元凝聚体。同时,多种该类型凝聚体之间的关联行为已经被大量实验所证实。然而目前针对电子-空穴-光子体系中多体关联和集体行为的研究工作,大多集中在低于电子-空穴Mott相变浓度的激子相区间。对于高浓度的等离子体相区间,由于系统内粒子间强烈的散射退相,一般认为无法建立起有效的长程关联。因此,如何在电子-空穴等离子体气体中引发集体效应,以及在多团等离子体之间建立关联,成为了一个重要且具有挑战性的研究方向。本论文通过特殊的光学微腔设计,实现了电子-空穴等离子体气体的长程关联和集体辐射。在此基础上,利用微腔中的超荧光作为诱导耦合场,实现了两团电子-空穴等离子体气体之间跨区域的相位关联,从而将电子-空穴-光子体系中多体关联和集体行为的研究领域扩展到了高温高浓度相区间。当激发浓度超过阈值后,电子-空穴等离子体引发的集体辐射在微腔中经过受激增强后将会形成腔增强超荧光。利用这种腔增强超荧光,电子-空穴-光子体系可以在等离子相中展现宏观相干性并在室温环境下发生凝聚。若引入两团这样的光-物质系统,即使它们的中心间距远大于特征光学波长,在微腔的帮助下,通过交换各自辐射的超荧光,这两团相干物质态之间依旧可以建立起稳定的相位关联。实验表明,它们之间的相位差会呈现多种形式,并随着系统的荧光辐射表现出量子化跳变。此外,我们发现通过改变材料中载流子的激发浓度和两个激发系统之间的距离,可以对这种相位关联进行有效调控。在上述现象形成的过程中,腔增强超荧光起了不可或缺的作用。所以在进一步研究中,我们从理论上系统地研究了粒子浓度、退相时间和微腔品质对偶极子系综合作辐射行为的影响。发现随着粒子浓度的上升和微腔品质的提高,辐射场将呈现出更大的强度和更短的持续时间,而压制粒子退相也有着相似的效果。在相图上,我们直观地展示出自发辐射、传统激光、超荧光、腔增强超荧光和振荡腔增强超荧光之间的区别与联系,从而进一步完善和丰富了光与偶极子系综相互作用体系的物理图像。腔增强超荧光具有高亮度,快脉冲和窄线宽的特点,因而可以用来制作高性能量子光源或进行高速度、高带宽激光通信。而且在超荧光和腔增强超荧光效应中,系统的物质成分将展现出相干性,它具有快速响应、方便可调的特点,有望应用于超快光电量子器件的研发领域。
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