Spójne Oddziaływanie Ekscytonów Rydbergowskich z Promieniowaniem Elektromagnetycznym

Ekscytony, czyli elementarne wzbudzenia kryształu powstającego wskutek oddziaływania z falą elektromagnetyczną, o dużej głównej liczbie kwantowej n >> 1 nazywane są ekscytonami rydbergowskimi (ER) i po raz pierwszy zostały zaobserwowane w roku 2014 w krysztale Cu2O. Duże rozmiary ekscytonów rydbergowskich sięgające µm, znacznie większe niż długość fali, która je wytwarza, długie czasy życia ~n2, malejący odstęp między stanami energetycznymi ~ n- 3 umożliwiają ich obserwację w zakresie parametrów odmiennych od innych układów kwantowych. Niska energia wiązania charakterystyczna dla ER sprawia, że są one podatne na oddziaływania z zewnętrznymi polami elektrycznym i magnetycznym. Niezwykłe własności ER stały się w ciągu ostatnich dwóch lat przedmiotem intensywnych badań, motywowanych perspektywą zastosowania struktur z ER w konstruowaniu nowoczesnych, zminiaturyzowanych i dynamicznie przestrajalnych elementów optycznych. Celem projektu jest zbadanie quasi-stacjonarnych i dynamicznych własności optycznych ośrodków półprzewodnikowych, w których istnieją te ekscytony. W ciągu trzech ostatnich lat, które upłynęły od czasu zaobserwowania ER powstało wiele prac teoretycznych i eksperymentalnych tłumaczących podstawowe własności optyczne w przybliżeniu liniowym względem zewnętrznych pól. W projekcie planujemy rozszerzenie dotychczasowych badań przez włączenie efektów nieliniowych, m.in. zależności widm od natężenia fali wzbudzającej i temperatury, typowych dla ER. Znając te własności można zaprojektować eksperymenty związane z elektromagnetycznie wymuszoną przezroczystością (EIT), wytworzoną drugą kontrolną wiązką laserową, modyfikowaną oddziaływaniami nieliniowymi wraz z efektem blokady rydbergowskiej dla wyższych stanów wzbudzonych, istotne w procesie kontrolowanego wzmacniania wzajemnych oddziaływań ER. Zamierzamy przebadać możliwości dynamicznych zmian warunków propagacji towarzyszących indukowanej przezroczystości (spowolnienie światła) a także możliwości zmagazynowania wzbudzeń w formie koherencji ekscytonowych („zatrzymanie” sygnału optycznego). Zbadamy też możliwości osiągnięcia inwersji obsadzeń i konstrukcji masera wykorzystującego ER w krysztale Cu2O. Ponadto planujemy dyskusję własności optycznych przy wzbudzeniu falą o energii większej od fundamentalnej przerwy energetycznej (tzw. efekt Franza-Keldysha). Dotychczasowe badania własności optycznych ER dotyczyły półprzewodników masywnych. W projekcie chcemy badać wpływ efektów uwięzienia ER w drutach kwantowych, na generowane przez ER własności optyczne. Każde z zadań projektu CIREL ma charakter teoretyczny i będzie ilustrowane symulacjami numerycznymi. Modelowanie własności optycznych oparte będzie o metodę rzeczywistej macierzy gęstości, podejście zaproponowane w naszych wcześniejszych pracach. Metoda ta oparta jest o analityczne rozwiązanie równania Schrödingera dla zmodyfikowanego układu wodoropodobnego z uwzględnieniem anizotropowych mas efektywnych elektronu i dziury. Stosunkowo niewielka ilość wolnych parametrów pozwala na określenie ich wartości przy użyciu konwencjonalnych narzędzi optymalizacji (metody iteracyjne, gradientowe, algorytmy ewolucyjne), przyjmując za punkt odniesienia dostępne dane eksperymentalne. Wyniki analityczne wsparte zostaną przez rozwiązania przybliżone oparte o metody numeryczne; w szczególności, do analizy makroskopowych aspektów propagacji fal elektromagnetycznych w ośrodkach z ER wykorzystana zostanie metoda FDTD, w której stosowaniu posiadamy znaczące doświadczenie. Projekt wpisuje się w pionierską dziedzinę optyki kwantowej półprzewodnikowych ośrodków rydbergowskich, od dwóch lat z powodzeniem rozwijanej na świecie. Jego realizacja umożliwi głębsze zrozumienie procesów zachodzących w półprzewodnikowych ośrodkach z ER oddziałujących z promieniowaniem elektromagnetycznym. Proponowana analiza ww. procesów jest ważna, ponieważ dostarcza wiedzy o subtelnych szczegółach dynamicznych spójnych oddziaływań pola laserowego z ER w ciele stałym, a większa liczba ważnych dla przebiegu procesów parametrów zwiększa możliwości sterowania ich przebiegiem, co może mieć znaczenie w potencjalnych aplikacjach. Niniejszy projekt, choć teoretyczny, wskazuje bowiem perspektywy potencjalnych zastosowań otrzymanych rezultatów, ponieważ dzięki niewielkim rozmiarom próbek, w których realizowane są praktycznie opisywane przez nas zjawiska, w dalszej perspektywie mogą zostać wykorzystane do konstrukcji zminiaturyzowanych urządzeń optoelektronicznych. Ponadto długozasiegowe oddziaływanie między ER połączone z ich długim, jak na warunki kwantowe czasem życia, czyni z nich układ, w którym będzie można wytwarzać kubity, a więc obiekty służące przetwarzaniu informacji kwantowej.