ИСТИНА

Проект нацелен на теоретическое исследование мультистабильности и неравновесных переходов в многочастичных экситон-фотонных системах. Предполагается создание нового теоретического подхода, позволяющего описать квантовые корреляции и спонтанное возникновение когерентности в неравновесных бозонных системах, и проведение численного анализа мультистабильности и параметрической неустойчивости в квазидвумерных поляритонных системах под действием оптической или импульсной акусто-оптической накачки в пикосекундном диапазоне. Также предполагается экспериментальная проверка результатов исследования.

Теоретически и экспериментально исследованы когерентные свойства сигнала стимулированного поляритон-поляритонного рассеяния вблизи порога параметрической неустойчивости в условиях резонансной накачки. Исследован процесс развития неустойчивости поляритонной системы под действием оптической накачки наносекундной длительности в направлении нормали к поверхности резонатора и вблизи точки перегиба нижней поляритонной ветви. Показано, что временные зависимости частоты, интенсивности и состояния поляризации возбуждения внутрирезонаторного поля демонстрируют скоррелированные пороговые изменения, определяемые спин-зависимым взаимодействием между поляритонами. Установлено, что наблюдаемые неравновесные переходы в значительной мере определяется воздействием некогерентного резервуара долгоживущих экситонных состояний, характеризующегося большими временами жизни и сравнительно короткими временами деполяризации. Показано, что наблюдаемая динамика принципиально несводима к полностью когерентным моделям экситон-фотонной системы. Предложена теоретическая модель, позволяющая самосогласованным образом объяснить неравновесные переходы в мультистабильной поляритонной системе и формирование диссипативных пространственных структур ("спиновых колец") в широком диапазоне внешних условий, включая как непрерывный, так и импульсный режимы оптической накачки. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Теоретически исследованы каскадные процессы рассеяния и самоорганизации в системе квазидвумерных поляритонов под действием оптической накачки вблизи дна верхней поляритонной ветви. В этом случае первичный процесс рассеяния приводит к заселению множества поляритонных состояний в области точки перегиба нижней ветви. Эволюция данной системы приводит к спонтанному возникновению корреляций в динамике множества мод, сопровождающемуся появлением выделенного сигнала (макрозаполненной поляритонной моды) вблизи дна нижней ветви. В планарных микрорезонаторах на основе GaAs экспериментально исследована динамика формирования макрозаполненной поляритонной моды на дне поляритонной зоны и ее спиновой поляризации при квазирезонансном импульсном фотовозбуждении экситонов в области больших квазиимпульсов. Найдено, что с увеличением глубины поляритонной зоны происходит смена механизма формирования конденсатного состояния с прямого параметрического распада фотовозбуждаемой моды (за счет поляритон-поляритонного взаимодействия) на динамическую конденсацию поляритонов, которая происходит вследствие многократных рассеяний поляритонов как на фононах, так и на поляритонах. При этом в микрорезонаторах со сравнительно глубокой поляритонной зоной прямой распад фотовозбуждаемой моды не исчезает, становясь эффективным механизмом заполнения состояний на кольце в k-пространстве. Теоретически исследованы неравновесные переходы в системе планарных экситонных поляритонов под действием комбинированного акусто-оптического возбуждения: деформационных импульсов пикосекундной длительности, обратимо возмущающих энергию экситонного перехода, и стационарной оптической накачки в направлении по нормали к поверхности. Установлено, что импульсное акустическое возбуждение может приводить к переключению режима оптического отклика, связанному с переходом между ветвями устойчивости бистабильной системы. Рассчитаны характеристики неравновесных переходов и выполнен анализ асимптотической устойчивости данной системы. Свойство мультистабильности системы поляритонов в микрорезонаторе пониженной симметрии (например, в напряженном микрорезонаторе) позволяет осуществить быстрое (за несколько пикосекунд) переключение состояния поляризации пропускания микрорезонатора между линейной и почти полностью циркулярной, под действием линейно поляризованной резонансной накачки с медленно меняющейся интенсивностью. Эффект был продемонстрирован в высокодобротном GaAs микрорезонаторе под действием спектрально узких импульсов накачки длительностью 70 пс. Теоретически показано, что при когерентной резонансной накачке полупроводникового микрорезонатора с малым расщеплением Раби (например, микрорезонатора с одиночной GaAs квантовой ямой) поляритон-фононное рассеяние может приводить к образованию некогерентного экситонного резервуара, недавно экспериментально обнаруженного в работе [С.С.Гаврилов и др., JETP Lett. 92, 171 (2010)]. Проанализировано влияние этого резервуара на поляритон- поляритонное рассеяние и сдвиги уровней. Показано, что резервуар эффективно понижает спиновую анизотропию поляритон-поляритонного взаимодействия, в согласии с недавними экспериментами, в которых исследовалась мультистабильность резонаторных поляритонов [T. K. Paraiso et al., Nat. Mater. 9, 655 (2010)]. Показано, что магнитное поле позволяет управлять поляризацией поляритонного конденсата в прямоугольных микропилларах с GaAs квантовыми ямами и брэгговскими GaAlAs/AlAs зеркалами. Показано, что конденсат является эллиптически поляризованным, и степень поляризации меняется в зависимости от приложенного магнитного поля и от плотности конденсата. Построена модель, учитывающая расщепление спиновых подсистем конденсата в магнитном поле, а также поляризационно-анизотропное нелинейное взаимодействие, приводящее к линейной поляризованности конденсата в нулевом магнитном поле. Теоретически проанализированы поляризационные свойства фотолюминесценции полупроводниковых квантовых точек из активного слоя в планарном полупроводниковом микрорезонаторе, одно из зеркал которого кирально-модулировано. Показано, что фотолюминесценция квантовых точек, хаотически распределенных в активном слое такого микрорезонатора может быть циркулярно-поляризованной, с высокой степенью поляризации вплоть до70-80%. Описанные результаты получены с использованием междисциплинарных методов: теории сильно неравновесных многочастичных систем, теоретической линейной и нелинейной оптики, а также экспериментальных методов физики полупроводниковых гетероструктур. Для управления переключениями в системе бистабильных поляритонов нами предложено использовать акустические импульсы, что может быть интересно с точки зрения создания новых элементов оптоэлектроники. Предсказанный нами эффект возникновения циркулярно-поляризованой фотолюминесценции квантовых точек из активного слоя микрорезонатора с кирально- модулированным зеркалом может привести к созданию компактных источников циркулярно-поляризованного света. Все это подчеркивает междисциплинарный характер полученных результатов.