Поляритоны в твёрдом теле
Поляритоны — это квазичастицы, возникающие в результате сильного взаимодействия фотонов с элементарными возбуждениями в твёрдом теле. В типичных условиях речь идёт о смешении электромагнитного поля (фотонов) с колебательными или электронными возбуждениями — фононами, экситонами, магнонами и т.д. Это явление называется сильной свет-материальной связью и требует совпадения энергий и импульсов взаимодействующих возбуждений.
Формально, поляритоны описываются как гибридные состояния с участием как светового, так и вещественного компонента. В квантовом подходе они появляются как результат диагонализации гамильтониана взаимодействующего поля и возбуждения. Их дисперсионные соотношения отражают характерные особенности обоих компонент, демонстрируя так называемое расщепление поляритонных ветвей.
1. Фонон-поляритоны Возникают в результате взаимодействия инфракрасных фотонов с оптическими фононами в ионных кристаллах (например, в GaAs, NaCl, ZnS). Фонон-поляритоны наблюдаются в диапазоне частот между поперечной и продольной оптической фононной модой, где диэлектрическая функция принимает отрицательные значения. Они играют ключевую роль в инфракрасной оптике, теплопереносе и нелинейных эффектах.
2. Экситон-поляритоны Являются результатом сильного взаимодействия фотона с экситоном — связанным состоянием электрона и дырки. Такие поляритоны характерны для полупроводников с высокой экситонной подвижностью и узким экситонным переходом. Экситон-поляритоны наблюдаются в интервале от видимого до ультрафиолетового диапазона спектра.
3. Магнон-поляритоны Образуются в магнитных материалах, таких как ферриты, когда фотон взаимодействует с магнитными возбуждениями — магнонами. Это приводит к новым резонансным явлениям в радиочастотном и микроволновом диапазонах.
4. Плазмон-поляритоны и поверхностные плазмон-поляритоны (SPP) Плазмон-поляритоны формируются при взаимодействии фотонов с коллективными колебаниями электронного газа (плазмонами) в металлах или допированных полупроводниках. Поверхностные плазмон-поляритоны распространяются вдоль границы металл–диэлектрик и локализуются вблизи поверхности. Они широко используются в нанофотонике, сенсорах и сверхразрешающей оптике.
Дисперсионная характеристика поляритонов определяется решением уравнения на собственные значения системы “фотон + возбуждение”, с учётом материала и геометрии среды. Например, для экситон-поляритонов решение уравнения Максвелла с соответствующей диэлектрической функцией, включающей вклад от экситонного резонанса, приводит к возникновению двух ветвей:
Между ними существует энергетическое расщепление (Rabi splitting), пропорциональное силе взаимодействия.
Для фонон-поляритонов характерна “антискрещивающаяся” дисперсия в окрестности поперечной оптической фононной частоты, где поляритон не может существовать в виде ни чисто фонона, ни чисто фотона.
Поскольку поляритоны обладают частично фотонным характером, они могут возбуждаться электромагнитным излучением, что позволяет наблюдать их с помощью спектроскопических методов. Основные экспериментальные подходы:
Микрорезонаторы и двумерные полупроводники Сильное взаимодействие света и вещества усиливается в структурах, где фотон локализуется: микрополости, фотонные кристаллы, двумерные материалы (MoS₂, WS₂). Такие системы позволяют наблюдать Бозе-конденсацию поляритонов, сверхизлучение, когерентные эффекты при комнатной температуре.
Периодические структуры (метаматериалы) Искусственные материалы, обладающие заданными оптическими свойствами, позволяют проектировать поляритоны с необходимыми характеристиками. Пример — гиперболические метаматериалы, в которых поляритоны обладают необычной дисперсией с высокой плотностью состояний.
Для описания поляритонов на квантовом уровне используется модель Джейкобса-Каммингса или гамильтониан Хопфилда. Он учитывает как фотонную, так и материальную часть:
Ĥ = ℏωcâ†â + ℏωxb̂†b̂ + ℏg(â†b̂ + âb̂†)
где â, b̂ — операторы уничтожения фотона и возбуждения соответственно, ωc, ωx — их собственные частоты, g — константа связи.
Решение такого гамильтониана приводит к смешанным состояниям с энергорасщеплением, равным 2ℏg. Это и есть поляритоны, обладающие смешанной природой.
1. Поляритонная лазерная эмиссия Поляритонные лазеры работают при низких плотностях накачки и высокой когерентности, поскольку конденсация поляритонов происходит в бозе-группу. Эти лазеры потенциально менее энергозатратны и компактны.
2. Нанофотоника и сенсоры Поверхностные плазмон-поляритоны обладают высокой чувствительностью к изменению диэлектрической функции окружающей среды. Это делает их идеальными кандидатами для разработки биохимических сенсоров, наноскопов и других устройств сверхвысокого разрешения.
3. Транспорт возбуждений Поляритоны могут распространяться на значительные расстояния с малыми потерями, особенно в двумерных гетероструктурах, что делает их перспективными для квантовой передачи информации.
4. Искусственные квантовые симуляторы Системы экситон-поляритонов используются как модели для исследования конденсированных состояний материи, включая суперфлюидность, Джозефсоновские эффекты и когерентный квантовый транспорт.
Поляритоны — носители нелинейной оптической отклика среды. В них возможны такие явления, как самофокусировка, солитоны, модуляционные неустойчивости и оптические бифуркации. Особенно ярко эти эффекты проявляются при достижении критических плотностей возбуждений или в условиях конфайнмента в микроструктурах.
Также важна возможность управления поляритонными свойствами с помощью внешних параметров: температуры, электрических и магнитных полей, механических напряжений и интенсивности оптической накачки.
Поляритоны в двумерных материалах: графен, дихалькогениды переходных металлов и гексагональный нитрид бора открыли путь к манипуляции поляритонами с нанометровым масштабом и терагерцовыми частотами.
Поляритоны в квантовых технологиях: реализуются платформы на основе когерентного управления состояниями поляритонов с применением их в квантовой оптике, квантовой памяти и квантовой логике.
Гибридные поляритоны: разрабатываются структуры, где сочетаются разные виды возбуждений — например, фонон-плазмон-поляритоны или экситон-макроатом-поляритоны, расширяя спектр взаимодействий и диапазон доступных частот.
Поляритоны представляют собой уникальное проявление взаимодействия света и вещества, объединяя в себе свойства фотонов и квазичастиц. Их изучение не только углубляет понимание фундаментальных процессов в твёрдом теле, но и открывает дорогу к новым технологиям в области фотоники, квантовой информации и сенсорики.