Subcycle dynamics of deep-strong light-matter coupling

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-455843
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.45584

Halbhuber, Maike

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Date of publication of this fulltext: 28 Apr 2021 07:42

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	28 April 2021
Referee:	Prof. Dr. Dominique Bougeard
Date of exam:	5 March 2021
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Dominique Bougeard
Keywords:	Ultra-strong light-matter coupling, THz spectroscopy, semiconductor heterostructures
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	45584

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Abstract (English)

Abstract (English)

In an optical microcavity, fundamentally new quantum states of matter can be created by dressing electronic excitations with virtual photons of the cavity modes. In deep- and ultrastrongly coupled systems, the rate of exchange between cavity modes and electronic excitations – the vacuum Rabi frequency – approaches or even exceeds the carrier frequency of light 0, giving rise to interesting phenomena.
In this thesis, two different material systems for extremely strong light-matter coupling are presented: GaAs and InAs based semiconductor heterostructures. The combination of such heterostructures and subwavelength THz resonators enabled the observation of extremely high light-matter coupling strengths. The presented structures couple cyclotron resonances of two-dimensional electron gases in semiconductor heterostructures to custom-tailored THz nanoresonators, leading to the formation of cavity polaritons.
Furthermore, this thesis describes a novel architecture for deep-strongly coupled structures in which the coupling strength, can be modulated more than an order of magnitude faster than the oscillation cycle of light. Here, cavity polaritons characterised by normalized coupling strengths of up to 1.3 were non-adiabatically modulated. Guided by parameter-free electrodynamical simulations, the resonators are equipped with InGaAs structures located in the area of maximum field enhancement. Femtosecond near-infrared photoexcitation of these switch elements rapidly reshapes the fundamental optical mode, decoupling it from the cyclotron resonance and completely collapsing ΩR, as verified by steady-state THz transmission experiments. Moreover, the intriguing subcycle dynamics that arises when light-matter coupling is switched off by excitation with near-infrared pulses of a duration of 70 fs are explored. In this setting, the response function exhibits sub-polariton-cycle oscillations of the transmission with frequency components exceeding the polariton frequency by more than an order of magnitude. A dynamical quantum model quantitatively links these oscillations to a strongly non-adiabatic collapse of the coupling strength 20 times faster than the cycle duration of the lower polariton.

Translation of the abstract (German)

Durch das Bekleiden einer elektronische Anregung mit virtuelle Photonen der Mode einer optischen Kavität, können fundamental neue Quantenzustände der Materie erzeugt werden. In ultra- und tief-stark gekoppelten Systemen, wo die Energieaustauschrate zwischen Licht und Materie in der gleichen Größenordnung wie die Frequenz des Lichts ist, entstehen interessante Phänomene.
In dieser Arbeit werden zwei verschiedenen Materialsysteme für extrem starke Licht-Materie Kopplung präsentiert: GaAs und InAs basierte Halbleiter-Heterostrukturen. Die Kombination solcher Heterostrukturen mit subwellenlängen THz-Resonatoren, ermöglicht die Beobachtung extrem hoher Kopplungsstärken. Die präsentierten Strukturen koppeln Zyklotronresonanzen zwei-dimensionaler Elektronengase, die in den Heterostrukturen existieren, an THz-Resonatoren, was zu der Entstehung von Cavity Polaritonen führt.
Des Weiteren wird in dieser Arbeit eine neue Architektur für tief-stark gekoppelte Strukturen, deren Kopplungsstärke schneller als eine Oszillation des Lichts moduliert werden kann, vorgestellt. In der Arbeit wurden Cavity Polaritonen mit einer normalisierten Kopplungsstärke von bis zu 1,3 nicht-adiabatisch moduliert. Die verwendeten Resonatoren sind ausgestattet mit InGaAs-Strukturen, die in den Bereich der größten Felderhöhung platziert wurden. Dieses Design wurde angeleitet von parameterfreien elektrodynamischen Simulationen. Durch Photoanregung dieser Schaltelemente, wird die fundamentale Mode des Resonators umgeformt, was zu der Entkopplung von Licht und Materie führt. Der Zusammenbruch der Kopplungsstärke wird durch THz-Transmissionsexperimente verifiziert. Außerdem wird die subzyklen Dynamik, hervorgerufen durch das Ausschalten der Kopplung durch 70 fs lange nahinfrarot Impulse, untersucht. Es werden sub-polariton-zyklen Oszillationen der Transmission mit Frequenzkomponenten, die die Polaritonfrequenz um eine Größenordnung übertreffen, identifiziert. Ein dynamisches Quantenmodel verbindet diese Oszillationen mit dem Zusammenbruch der Licht-Materie Kopplung, der 20-mal schneller als eine Oszillation des unteren Polaritons stattfindet.

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