Spin effects of cavity photons and exciton-polaritons in planar optical resonators

W prezentowanej pracy badano efekty polaryzacyjne występujące w planarnych mikrownękach optycznych. Badane rezonatory składały się z dwóch zwierciadeł dielektrycznych, pomiędzy którymi umieszczano materiały powodujące wyróżnienie różnych polaryzacji światła. W pierwszej kolejności wewnątrz wnęk umieszczono warstwę ciekłego kryształu. Jako że ten dwójłomny materiał charakteryzuje się różnymi współczynnikami załamania światła w zależności od orientacji polaryzacji liniowej światła względem osi kryształu, powoduje to rozszczepienie liniowo spolaryzowanych modów wnęki. W takim układzie badano tekstury polaryzacyjne światła transmitowanego przez próbkę w zależności od kierunku anizotropii optycznej ciekłego kryształu obserwując tekstury meronu i antymeronu drugiego rzędu. W analogicznym układzie zaobserwowano również efekty związane ze stratami zależnymi od polaryzacji światła. W zależności od stopnia niehermitowskości w układzie zmierzono przemieszczanie się w przestrzeni pędów a następnie anihilację punktów wyjątkowych (ang. exceptional points) powstałych z różnych punktów diabolicznych. Następnie, dodanie wewnątrz wnęki ciekłokrystalicznej warstwy dwuwymiarowego perowskitu pozwoliło na uzyskanie reżimu silnego sprzężenia pomiędzy modami fotonowymi wnęki a ekscytonami w perowskicie. W układzie tym poprzez zastosowanie orientacji ciekłego kryształu w postaci skręconego nematyka uzyskano zniesienie degeneracji w punktach diabolicznych wokół reżimu sprzężenia spin orbita Rashby Dresselhausa powodujące powstanie polaryzacji pasm modów wnęki wykazujących niezerową krzywiznę Berry’ego. Wykorzystując silne sprzężenie ekscyton-foton uzyskano również spolaryzowaną emisję ze stanów polarytonowych z całkowicie izotropowej optycznie mikrownęki zawierającej monowarstwy selenku wolframu. W tym celu wykorzystano unikalne właściwości tego materiału, w którym ekscyton o danej orientacji spinu związany jest z daną doliną w przestrzeni odwrotnej z ograniczoną możliwością do rozpraszania. Dzięki temu kwazirezonansowe kreowanie ekscytonów o danej orientacji spinu przez pobudzającą wiązkę światła o polaryzacji kołowej pozwoliło wykreować polarytony ekscytonowe wykazujące emisję o niezerowym stopniu polaryzacji kołowej.

This thesis is devoted to the study of spin effects in planar microcavities. Investigated optical resonators were composed of two dielectric mirrors, with the space between them filled with different materials providing polarization dependent effects. At first, the cavity was filled with a layer of nematic liquid crystal. Such birefringent material are characterized with different effective refractive indexes depending on the relative orientation of the linear polarization plane versus the axis of the crystal, which leads to the splitting of the linearly polarized modes of the cavity. In such system, we investigated a spatial polarization textures arising when polarized light was transmitted through the sample for different orientations of the optical anisotropy of the liquid crystal and observed polarization textures of second order meron and second order antimeron. In an analogous system we observed effects resulting from polarization dependent losses. Depending on the non-Hermicity degree we measured shift in the momentum space and following annihilation of the exceptional points originating from different diabolical points. Second, by incorporation into the cavity a layer of two-dimensional perovskite, we were able to observe emergence of strong coupling regime between the photonic modes and excitons in the perovskite. By additional orientation of the liquid crystalline layer into a twisted nematic structure, we lifted the degeneracy at the diabolical points around the regime of Rashba-Dresselhauss sin orbit coupling. This lead to a polarized band structure of the cavity modes exhibiting nonzero Berry curvature. Using the strong coupling regime we obtained a polarized emission from the polariton states in a fully isotropic microcavity incorporating monolayers of tungsten diselenide. To achieve this, we used unique for transition metal dichalcogenides monolayers spin-valley locking, where an exciton with a given spin orientation is confined within a specific valley in the momentum space with limited possibilities for spin flipping and scattering. Utilizing this property, by quasiresonantly exciting excitons with a given spin orientation by circularly polarized pump beam, we were able to create exciton polaritons exhibiting nonzero degree of the circular polarization of the emitted light.