Study of nonlinear effects in exciton-polariton condensates

W niniejszej rozprawie przedstawiono badania eksperymentalne dotyczące nieliniowych efektów optycznych w mikrownękach polarytonowo-ekscytonowych opartych na półprzewodnikach grup II-VI, z tellurkiem kadmu (CdTe) jako głównym materiałem bazowym. Praca koncentruje się na takich zjawiskach, jak bistabilność optyczna, kondensacja polarytonowo-ekscytonowa oraz kontrolowane oddziaływania między kondensatami polarytonowymi. Opracowuje również narzędzia eksperymentalne, które umożliwiają prowadzenie badań w przestrzeni odwrotnej i rzeczywistej w celu precyzyjnego obrazowania i wydajnego wzbudzania tych mikrostruktur.

Na początku przedstawiono mikrownęki na bazie CdTe w silnym sprzężeniu, wytworzone w procesie lift-off. Charakterystyka wejścia-wyjścia ujawniła bistabilność optyczną z dwoma odrębnymi typami pętli histerezy w zależności od odstrojenia energii lasera: jedną o typowym kształcie i kierunku, opisywanym dla innych typów mikrownęk, oraz nową, o trójkątnym kształcie i przeciwnym kierunku tworzenia. Pomiary z rozdzielczością pędową wykazały, że mechanizm przełączania jest powiązany z termicznie indukowanym przejściem między silnym i słabym sprzężeniem. Model teoretyczny uwzględniający przesunięcia termiczne i redukcję sprzężenia odtworzył zaobserwowane bistabilności. Taki układ zapewnił również dostęp do naturalnych punktów wyjątkowych w widmie polarytonów. Przeprowadzono eksperymenty okrążające punkt wyjątkowy, poprzez jednoczesne dostrajanie mocy pobudzania, co skutecznie modulowało siłę sprzężenia, oraz poprzez śledzenie wektora falowego w płaszczyźnie. Parametry te łącznie umożliwiły zbadanie topologii punktów wyjątkowych.

Następnie zbadano sprzężenie balistyczne kondensatów w półmagnetycznych mikrownękach na bazie CdTe. W tym układzie pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, pojawiający się gigantyczny efekt Zeemana modyfikował odstrojenie między fotonem a ekscytonem i masy efektywne polarytonów. Eksperymenty wykazały, że zewnętrzne pole magnetyczne przełącza parzystość kondensatu między stanami w fazie i w antyfazie. Efekt ten zaobserwowano we wzorach interferencyjnych przestrzeni rzeczywistej i w przestrzeni pędu i wyjaśniono za pomocą modelu analitycznego oraz symulacji Grossa-Pitaevskiego.

Na koniec przedstawiono mikrosoczewki polimerowe wytworzone bezpośrednio na powierzchni mikrownęk przy użyciu polimeryzacji dwufotonowej. Projekt kształtu mikrosoczewek oparto na symulacjach śledzenia promieni. Eksperymenty potwierdziły, że mikrosoczewki rozszerzają dostępny zakres wektorów falowych w płaszczyźnie, umożliwiają jednoczesne pomiary w przestrzeni odwrotnej z wielu punktów na próbce za pomocą układów mikrosoczewek oraz zmniejszają energię impulsu laserowego wymaganą do osiągnięcia progu kondensacji, poprzez lokalną koncentrację wzbudzenia. Ich funkcjonalność wykazano zarówno w mikrownękach dielektrycznych, jak i półprzewodnikowych w warunkach kriogenicznych.

Całościowo, w pracy opisano realizację mikrownęk CdTe z nowatorskimi mechanizmami bistabilności, pojawienie się i otoczenie naturalnych punktów wyjątkowych, indukowane polem magnetycznym przełączanie parzystości supermodów kondensatu oraz opracowanie mikrosoczewek jako narzędzi do badań przestrzeni odwrotnej, w pojedynczym miejscu, jak i w wielu jednocześnie. Wyniki te dokumentują nowe efekty nieliniowe w mikrownękach II-VI i ustanawiają metody do ich systematycznego badania.

This dissertation presents an experimental study of optical nonlinear effects in exciton-polariton microcavities based on II-VI semiconductors, with cadmium telluride (CdTe) as the main material platform. The work focuses on phenomena such as optical bistability, exciton-polariton condensation, and controlled interactions between polariton condensates. It also develops experimental tools that advance reciprocal- and real-space resolved studies for precise imaging and efficient excitation of microstructures.

First, transmissive CdTe microcavities in the strong coupling regime fabricated by a lift-off process are introduced. The input-output characteristics revealed optical bistability with two distinct types of hysteresis loops, depending on laser detuning: one with the conventional shape and direction reported for other types of microcavities, and a new one, exhibiting a triangular shape and an opposite direction of formation. Angle-resolved measurements demonstrated that the switching mechanism is linked to a thermally induced transition between strong and weak coupling regimes. A theoretical model including thermal redshifts and coupling reduction reproduced the observed bistabilities. The system also provided access to natural exceptional points in the polariton spectrum. Encircling experiments were performed by simultaneously tuning the excitation power, which effectively modulated the coupling strength, and by tracing the in-plane wavevector. Together, these parameters allowed the exploration of the exceptional point topology.

Then, ballistic coupling of condensates in semimagnetic CdTe microcavities is investigated. In this system, the giant Zeeman effect under an external magnetic field modifies exciton-photon detuning and polariton effective masses. Experiments showed that the magnetic field switches the parity of the condensate dyads between in-phase and anti-phase states. The effect was observed in real- and momentum-space interference patterns and was explained using analytical model and spinor Gross-Pitaevskii simulations.

Finally, polymer microlenses fabricated directly on the surface of microcavities using two-photon polymerization are presented. Ray-tracing simulations guided the microlens design. Experiments confirmed that the microlenses extend the accessible in-plane wavevector range, allow parallel measurements in reciprocal space from multiple spots on the sample with microlens arrays, and reduce the laser pulse energy required to achieve condensation threshold by locally concentrating excitation. Their functionality was demonstrated in both dielectric and semiconductor microcavities under cryogenic conditions.

Altogether, the dissertation reports the realization of transmissive CdTe microcavities with novel bistability mechanisms, the appearance and encirclement of natural exceptional points, the magnetic-field induced parity switching of condensate supermodes, and the development of microlenses as tools for single and multiplexed reciprocal space studies. Together, these results document new nonlinear effects in II-VI microcavities and establish novel methods for their systematic investigation.