Quantum optics in semiconductor nanostructures
- Autores: Guillermo Díaz Camacho
- Directores de la Tesis: Carlos Tejedor (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 214
- Títulos paralelos:
- Óptica cuántica en nanoestructuras de semiconductores
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Viña (presid.), Johannes Feist (secret.), Marzena Hanna Szymanska (voc.), Fabrice P. Laussy (voc.), Alejandro González Tudela (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física de la Materia Condensada, Nanociencia y Biofísica por la Universidad Autónoma de Madrid; la Universidad de Murcia y la Universidad de Oviedo
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
El campo de la óptica cuántica y la nanofotónica ha recibido gran atención e interés en las últimas décadas, en gran medida gracias a los avances en la fabricación heteroestructuras semiconductoras. En esta tesis estudiaremos dos familias de problemas con una raíz común pero con enfoques y metodología diferentes. El grueso de los resultados ha sido obtenido mediante simulaciones numéricas, siempre apoyadas por una teoría bien establecida.
La primera parte trata con un número macroscópico de partículas en microcavidades semiconductoras, en las que la luz puede ser tratada semiclásicamente.
La fuerte interacción entre fotones y excitones dentro de estas estructuras mezcla ambas partículas en una pseudopartícula híbrida, el excitón-polaritón. Al ser un problema de muchos cuerpos, se emplea una aproximación de campo medio, obviando el carácter individual de los polaritones y tratándolos más bien como un fluido. El principal fenómeno que estudiamos en esta parte es la aparición de patrones espaciales tipo Turing en fluidos de polaritones excitados coherentemente por láseres. Cuando los polaritones alcanzan densidades altas, las interacciones no lineales empiezan a dominar la dinámica y el sistema entra en el régimen de oscilador paramétrico óptico, donde los polaritones se dispersan a otros estados resonantes en su peculiar relación de dispersión. Primero estudiamos éstos patrones espaciales en un caso sin espín, y en el capítulo siguiente los añadimos en forma de un scattering sensible a la polarización, y de un acoplo espín-órbita. Bombeamos la cavidad con uno o con dos láseres, explorando nuevas formaciones de patrones tales como de franjas, cuadros o hexágonos con diferente polarización en diferentes estados de frecuencia y momento.
La segunda parte de la tesis se centra en sistemas de dos niveles (2LS) como puntos cuánticos semiconductores excitados coherentemente por láseres y acoplados a cavidades. Aquí tratamos los fotones como entidades completamente cuánticas, ya que pretendemos producir y detectar estados multifotónicos conocidos como haces de fotones, donde cada fotón cuenta.
En un primer paso estudiamos la detección de la emisión multifotónica, modelando detectores imperfectos como una combinación de detectores perfectos y filtros de frecuencia. Comenzamos con sistemas sencillos y bien comprendidos, como emisión espontánea de un estado multifotónico, y luego avanzamos a sistemas más complicados. Entre ellos un 2LS fuertemente excitado, en el régimen de fluorescencia resonante, y un bundler, un sistema que acopla un modo de cavidad al 2LS, potenciando su emisión multifotónica. Por último, desarrollamos nuestro propio sistema para la emisión multifotónica, combinando el bundler con el concepto de los fotones anunciados, muy común en óptica cuántica. Utilizamos dos modos de cavidad que potencian no una sino dos frecuencias del 2LS, pudiendo producir haces de hasta cuatro fotones anunciados con gran eficacia.
