Strong light-matter coupling in GaN microcavities
Authors: Τριχάς Εμμανουήλ 
Published: January 2014

Όλες οι σύγχρονες φωτονικές δομές σε εφαρμογές χρήσιμες για τον άνθρωπο όπως ο Φωτισμός, οι οθόνες, τα οπτικά δίκτυα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα παράγωγης ενέργειας, τα κβαντικά πληροφοριακά συστήματα κλπ. βασίζονται στον έλεγχο της αυθόρμητης εκπομπής φωτός. Οι μικροκοιλότητες είναι φωτονικές δομές ελέγχου αυτής σε ημιαγωγικά συστήματα όπου «συναντώνται» η δέσμια κατάσταση ζεύγους ηλεκτρονίου οπής γνωστή και ως εξιτόνιο με τα χωρικά περιορισμένα φωτόνια ως τρόποι οπτικού συντονισμού σε οπτικό ταλαντωτή διαστάσεων μικρομέτρου και κατωτέρων αυτού. Η ισχυρά σύζευξη (Strong Coupling SC) ως κβαντικό φαινόμενο των μικροκοιλοτήτων γίνεται κατανοητή με την θεώρηση ενός οιονεί σωματιδίου που ονομάζεται πολαριτόνιο, η μελέτη του οποίου στο σύστημα GaAs οδήγησε στην κατασκευή καινοτόμων φωτονικών δομών όπως το λεγόμενο polariton LED και το polariton laser πολύ μικρού κατωφλίου αξιοποιώντας τον μποζονικό χαρακτήρα των πολαριτονίων που του προσδίδει μοναδικές ιδιότητες όπως η εξαναγκασμένη σκέδαση, η παραμετρική ενίσχυση, το lasing, η συμπύκνωση και η υπερρευστότητα. Το ημιαγωγικό υλικό του Νιτριδίου του Γάλλιου (GaN) που διαθέτει εξιτόνιο «σθεναρό» σε θερμοκρασία δωματίου λόγω μεγάλης ενέργειας σύνδεσης (exciton binding energy) αποτελεί ιδανικό «υποψήφιο» για κατασκευή οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών ικανών να λειτουργήσουν σε κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος θεμελιώδη προβλήματα όπως: α) η διεύρυνση της εξιτονικής κορυφής απορρόφησης του υλικού λόγω ατελειών δομής και ρηγματώσεων και β) το μικρό εύρος μέγιστης ανακλαστικότητας των καθρεπτών συγκρίσιμο με το λεγόμενο διαχωρισμό Rabi μεταξύ των άνω και κάτω βραχιόνων διασποράς του πολαριτονίου σε περίπτωση μονολιθικής ανάπτυξης μικροκοιλότητας δημιουργούν αδυναμία εμφάνισης ισχυράς σύζευξης. Σε αυτή την διατριβή τα προβλήματα αυτά λύνονται ταυτόχρονα με τον εγκιβωτισμό λεπτού υμενίου του GaN σε μια μικροκοιλότητα φτιαγμένη από δύο διηλεκτρικούς Bragg καθρέπτες. Βασικό εργαλείο της κατασκευής αυτής αποτελεί η λεγομένη φωτο-ενισχυόμενη ηλεκτροχημική (PEC etching) υγρή εγχάραξη θυσιαζόμενου υποκείμενου στρώματος για την δημιουργία ελευθέρων αιωρουμένων λεπτών υμενίων GaN. Αυτή εξασφαλίζει τις απαιτούμενες υπέρ λείες επιφάνειες του υμενίου καθώς και την διατήρηση των πολύ καλών οπτικών ιδιοτήτων του Νιτριδίου του Γάλλιου. Η εναπόθεση διηλεκτρικών καθρεπτών στην ανάντι και κατάντι πλευρά του λεπτού υμενίου, με μεθόδους sputtering ολοκληρώνει την λεγομένη all dielectric GaN μικροκοιλότητα. Ο οπτικός χαρακτηρισμός των μικροκοιλοτήτων, που αναπτύχθηκαν παρουσίασε για πρώτη φορά ένδειξη ισχυράς σύζευξης εξιτονίου (exciton) και οπτικού Bragg τρόπου (Bragg mode) ενός εκ των διηλεκτρικών καθρεπτών εισάγοντας ένα νέο εμφανιζόμενο οιονεί σωματίδιο το λεγόμενο Bragg polartion η Braggoriton. Το θετικό αυτό αποτέλεσμα είναι απόδειξη του ότι η κατασκευή all dielectric GaN μικροκοιλοτήτων είναι εφικτή με την μέθοδο της φωτο-ενισχυόμενης ηλεκτροχημικής υγρής εγχάραξης και ικανή να δώσει ισχυρά σύζευξη εξιτονίου-φωτονίου με μεγάλα Q-factors. Αποτελεί έρεισμα για ανάπτυξη καινοτόμων τεχνολογιών εκπομπής πολαριτονίων λειτουργούντων σε θερμοκρασία δωματίου καθώς και για μελέτη και ανάπτυξη νέας φυσικής που διέπει την μποζονική φύση των πολαριτονίων.