PT symmetry and non-Hermitian physics in polariton condensates in semiconductor microcavities

Nicht-hermitesche physikalische Systeme erhalten immer mehr Aufmerksamtkeit, da sie viele einzigartige und unkonventionelle Eigenschaften zeigen. In Systemen, die durch einen nicht-hermiteschen Hamiltonoperator beschrieben werden, kann Parität-Zeit (PT) Symmetrie dazu führen, dass das System reelle Eigenenergieen aufweist; diese werden komplexwertig, sobald die Symmetrie gebrochen ist. In bisherigen Arbeiten zu nicht-hermitschen Systeme lag der Fokus hauptsächlich auf optischen Systemen und dementsprechend groß war der Fortschritt in diesem Bereich. Seit kurzer Zeit werden nicht-hermitesche Eigenschaften auch in makroskopisch kohärenten (kondensierten) Exziton-Polariton Systemen untersucht. Polaritonen sind Licht-Materie Quasiteilchen, die sich aus Photonen und Exzitonen zusammensetzen. Polaritonen in planaren Mikroresonatoren haben viele potentielle Anwendungen in Bereichen wie z.B. rein-optische Schaltkreise, Laser mit niederiger Schwelle, Informationsverarbeitung und Kontrolle der räumlichen Lichtpropagation. In dem vorgestellten Projekt werden wir die nicht-hermiteschen Eigenschaften von Polaritonen auf vier verschiedene Aspekte hin untersuchen. Zuerst studieren wir Polaritonen in gekoppelten Mikrosäulen. Hier werden wir außerdem die nichtlinearen Josephson Oszillationen in Anwesenheit eines nicht-hermiteschen Potentials untersuchen. Als zweites studieren wir PT-symmetrische 1D Ketten. Durch Veränderung der relative Positionen von Gitter und Anregung, kann das optisch induzierte imaginäre Potential leicht moduliert warden. Sowohl im PT-symmetrischen, als auch im gebrochenen Fall erwarten wir neue Eigenschaften zu entdecken. Als drittes beschäftigen wir uns mit der Realisierung von PT-symmetrischen Ring-Potentialen. Es wird erwartet, dass wenn Verlust und Quellterm der Polaritonen einen kritischen Wert erreichen, kann ihre Propagation in dem Ringpotential eine “jamming” Anomalie aufweisen, was wichtig für die Erforschung von Polariton Schaltkreisen ist. Außerdem untersuchen wir den Einfluss von exzeptionellen Punkten auf die räumlichen Moden. Zuletzt wird der Fokus auf Bandstrukturen von Polaritonen in hexagonalen Gittern gelegt und neue Eigenschaften nahe des Dirac-Punkts untersucht. Durch Modulationen der Anregung wird die PT-Symmetrie in einer hexagonalen Struktur realisiert, sowie Gitter mit Moire Effekt. Unser Fokus liegt auf theoretischen Untersuchungen und numerischen Simulationen, während unsere Kooperationspartner sich auf die experimentelle Realisierung fokussieren. Die Ergebnisse unseres Projekts können bestehende Herausforderungen in nicht-hermiteschen (linearen) optischen Systemen lösen und das Spektrum beobachteter physikalischer Effekte deutlich erweitern, neue potentielle Anwendungen von Polaritonen bei der Entwicklung von polaritonischen Anwendungskonzepten aufzeigen und weitere spannende Untersuchungen im Bereich der nicht-hermiteschen Systeme, Polaritonen und nichtlinearer Optik anstoßen.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen

Internationaler Bezug China

Mitverantwortlich Professor Dr. Stefan Schumacher

Kooperationspartner Professor Dr. Tingge Gao