Variable Potentiale für thermisches Licht und gekoppelte Photonenkondensate

Abstract

Seit mehr als einer Dekade lassen sich mit ultrakalten Atomen in periodischen Gitterpotentialen viele Aspekte der Festkörperphysik an sehr reinen, künstlichen Kristallen studieren. So konnte beispielsweise der Übergang von einer Supraflüssigkeit zum Mott-Isolator in einem System aus kalten Rubidium-Atomen in optischen Gitterpotentialen nachgewiesen werden. Doch nicht nur Atome eignen sich für solche Untersuchungen, auch photonische Plattformen wie photonische Kristalle, gekoppelte Wellenleiter oder sogar einige Experimente mit gekoppelten Lasern sind hier wegweisend. Diese Systeme operieren jedoch, anders als kalte atomare Gase, typischerweise nicht im thermischen Gleichgewicht, sodass sie sich bislang nicht für die Untersuchung von Gleichgewichtseffekten eignen. In den letzten Jahren gab es jedoch größere Fortschritte auf dem Weg photonische Festkörper-Simulatoren im thermischen Gleichgewicht zu realisieren. Allen voran Experimente mit Licht-Materie-Quasiteilchen (Exziton-Polaritonen) in Doppelmulden- wie auch Gitterpotentialen und Experimente zur Bose-Einstein-Kondensation von Licht. Letztere wurde erstmals in einem farbstoffgefüllten Mikroresonator in der Arbeitsgruppe von Martin Weitz im Rahmen der Doktorarbeit von Jan Klärs im Jahr 2010 realisiert. Dabei thermalisiert das Photonengas durch wiederholte Fluoreszenz und Reabsorptionsprozesse im Kontakt mit Farbstoffmolekülen bei Raumtemperatur. Anders als zum Beispiel bei der Schwarzkörperstrahlung, lässt sich die Teilchenzahl unabhängig von der Temperatur einstellen. Das Gas wird zwischen zwei gekrümmten Spiegeln in einem harmonischen Fallenpotential gefangen, wobei das System formal äquivalent zu einem Gas aus massiven Teilchen in einem harmonischen Fallenpotential in zwei Dimensionen ist. Erhöht man die Teilchenzahl im Gas über die kritische Phasenraumdichte, so beobachtet man einen Phasenübergang zu einem Zustand mit einer makroskopischen Besetzung des Grundzustands, was der Ausbildung eines Bose-Einstein-Kondensats bei Raumtemperatur entspricht.<br /> Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit ist die Erzeugung von variablen Fallenpotentialen im Mikroresonator, um darin thermisches Licht und erstmals auch gekoppelte Photonenkondensate zu realisieren. Ausgangspunkt hierzu ist ein planparalleler Mikroresonator, der zunächst, anders als in sphärischen Resonatoren, kein Fallenpotential bereitstellt. Dieses kann dann durch zwei neuartige Methoden variabel induziert werden. Bei der ersten entwickelten Methode handelt es sich um eine gezielte Brechungsindexmodulation der Flüssigkeit im Mikroresonator. Dazu wird der Farbstofflösung ein thermosensitives Polymer beigemischt, welches bei rund 32°C einen sogenannten Knäuel-Globuli Phasenübergang vollzieht. Durch Ausbildung von Polymerglobuli erhöht sich der Brechungsindex dabei lokal um mehrere Prozent, wodurch attraktive Fallenpotentiale für das Licht im Mikroresonator entstehen. Der temperaturabhängige Phasenübergang wird ortsabhängig kontrolliert, indem ein fokussierter Laserstrahl periodisch über eine außerhalb des Resonators angebrachte lichtabsorbierende Dünnschicht bewegt wird und dort Wärme einträgt. Die maßgeschneiderten Fallenpotentiale ergeben sich dann entsprechend des Temperaturprofils im Mikroresonator. Dadurch können experimentell sowohl einzelne harmonische Mikropotentiale als auch periodische Gitterstrukturen und nichtperiodische Potentialstrukturen erzeugt werden. Die Reversibilität des Polymer-Phasenübergangs ermöglicht dabei eine einfache Veränderung des gewünschten Potentials durch Anpassung des Temperaturprofils.<br /> Die zweite Methode Fallenpotentiale zu induzieren beruht auf einer gezielten lokalen Anhebung der dielektrischen Spiegelschichten über sogenannte Delamination. Wie zuvor wird mit einem fokussierten Laserstrahl in Kombination mit einer absorbierenden Dünnschicht Wärme eingetragen. Die Wärmemenge ist dabei so groß gewählt, dass thermische Spannungen zwischen den Bragg-Spiegelschichten zu einem Ablösen von der absorbierenden Dünnschicht führen und sich in Folge die Spiegeloberfläche auswölbt. Dadurch verringert sich lokal die Resonatorlänge, was ein repulsives Fallenpotential bewirkt. Experimentell kann gezeigt werden, dass sich das Verfahren nicht nur zur Mikrostrukturierung von hochreflektiven Spiegeln eignet, sondern auch zu einer allgemeinen Optimierung der Oberflächenrauigkeit, einhergehend mit geringeren optischen Streuverlusten.<br /> Im nächsten Schritt wird das Photonengas in den induzierten variablen Potentialen untersucht. Hier kann die Thermalisierung und Kondensation des Gases in einem einzelnen harmonischen Mikropotential nachgewiesen werden, wie auch eine retardierte Selbstwechselwirkung des Photonenkondensats, die auf den thermooptischen Effekt zurückgeführt werden kann. Anschließend wird die Diskussion auf ein Doppelmuldenpotential erweitert, in dem Tunneln von Photonen durch die Potentialbarriere beobachtet wird, einhergehend mit einer Hybridisierung der Eigenzustände des Zwei-Niveau-Systems. Mittels einer Streak-Kamera mit hoher Zeitauflösung konnten weiterhin auch kohärente (Rabi-)Oszillationen des Photonenkondensats im Doppelmuldenpotential nachgewiesen werden. Hierbei zeigt sich deutlich der dissipative Charakter des farbstoffgefüllten Mikroresonatorsystems, in dem die Photonen nicht nur zwischen den Mulden tunneln, sondern auch ein komplexes Zusammenspiel von Molekülanregungen, Reemission und Verlusten stattfindet. <br /> Die in der vorliegenden Doktorarbeit entwickelte experimentelle Plattform erlaubt die Untersuchung optischer Quantengase in variablen Potentialen nahe des thermischen Gleichgewichts. Zukünftig ist zu erwarten, dass das System Quantensimulationen mit Licht in Gitterpotentialen, beispielsweise des XY-Modells ermöglicht.