[論文レビュー] Strong Exciton-Photon Coupling and lasing behavior in All-Inorganic CsPbBr3 Micro/nanowire Fabry-Perot cavity

Wenna Du, Shuai Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2017

Strong Light-Matter Interactions被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、室温下で全無機性CsPbBr3マイクロ／ナノワイヤFabry-Perotキャビティにおいて、強力な励起子-光子結合と低しきい値のポラリトンレーザー発振を実証した。化学的蒸着法で成長させたナノワイヤを用いて、モード体積依存の結合強度と増幅された群速度指数を達成し、スペクトルおよび出力強度の分析を通じてポラリトンレーザーの発生を確認した。これにより、顕著に低減されたレーザーしきい値が実現された。

ABSTRACT

Macroscopic spontaneous coherence of exciton-polariton in semiconductor cavity is one important research field in condensed matter physics. All-inorganic micro/nanowire Fabry-Pérot cavity with excellent optical performance makes it possible to realize strong coupling and lasing of exciton-photon at room temperature. In this work, we demonstrated strong coupling of exciton-photon and polariton lasing in CsPbBr3 micro/nanowires synthesized by CVD method. By exploring spatial resolved PL spectra of CsPbBr3 cavity, we observed mode volume dependent coupling strength , as well as significant increase in group index. Moreover, low threshold polariton lasing was achieved at room temperature within strong coupling regime; the polariton characteristic is confirmed by comparing lasing spectra with waveguided output spectra and the dramatically reduced lasing threshold. Our present results provide new avenues to achieve high coupling strengths potentially enabling application of exciting phenomena such as Bose-Einstein condensation of polaritons, efficient light-emitting diodes and lasers.

研究の動機と目的

• 室温下で全無機ペロブスカイトマイクロ／ナノワイヤキャビティにおける強力な励起子-光子結合を達成すること。
• CsPbBr3Fabry-Perotキャビティにおける結合強度がモード体積に与える依存関係を調査すること。
• 増幅された群速度指数と波ガイド効果を活用して、低しきい値のポラリトンレーザー発振を実証すること。
• レーザー発振スペクトルと波ガイド出力スペクトルの比較を通じて、ポラリトンの特性を確認すること。
• CsPbBr3ナノワイヤがポラリトンレーザーや励起子ポラリトンのボーズ＝アインシュタイン凝縮への応用に果たす可能性を検討すること。

提案手法

• 優れた光学的品質を確保するため、化学的蒸着法（CVD）を用いて高品質なCsPbBr3マイクロ／ナノワイヤを合成した。
• ナノワイヤの両端に分散ブレグ・リフレクタを形成することでFabry-Perotキャビティを構築し、光の閉じ込めと光-励起子相互作用の強化を実現した。
• 結合強度のマップ作成とモード体積依存性の観察を目的として、空間的に分解能のある光励起分光法（PL）を実施した。
• 強力な結合の証左として、群速度指数の増幅を測定し、顕著な光-物質相互作用を示した。
• レーザー発振スペクトルと波ガイド出力スペクトルを比較することで、ポラリトンレーザー行動の確認としきい値低減の抽出を実施した。
• スペクトルの進化と強度プロファイルの解析を通じて、従来の光子レーザーとポラリトンレーザーのメカニズムを区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温下で全無機性CsPbBr3マイクロ／ナノワイヤキャビティにおいて、強力な励起子-光子結合を達成できるか？
• RQ2 モード体積がこれらのペロブスカイトキャビティにおける結合強度にどのように影響するか？
• RQ3 群速度指数の増幅が強力結合状態を確認する上で果たす役割は何か？
• RQ4 大気中条件下で、CsPbBr3ナノワイヤにおいて低しきい値のポラリトンレーザーが実験的に実現可能か？
• RQ5 ポラリトンレーザーと従来の光子レーザーの間で、レーザー発振スペクトルと波ガイド出力スペクトルにはどの程度の差が生じるか？

主な発見

• 室温下で、CsPbBr3マイクロ／ナノワイヤFabry-Perotキャビティにおいて、実験的に強力な励起子-光子結合が確認された。
• 結合強度はモード体積に明確に依存しており、キャビティ系における光-物質相互作用のチューナブル性が示された。
• 顕著な群速度指数の増加が観測され、強力結合状態の主要な指標となった。
• 室温下で低しきい値のポラリトンレーザー発振が達成され、従来の光子レーザーと比較して顕著に低いしきい値が実現された。
• レーザー発振スペクトルと波ガイド出力スペクトルのスペクトル比較により、発振モードのポラリトン性が確認された。
• 本結果は、今後のポラリトンベースのオプトエレクトロニクスデバイスやボーズ＝アインシュタイン凝縮などの量子現象に、全無機ペロブスカイトナノワイヤを応用可能であることを示した。