Tailoring and Non-Adiabatic Control of Deep-Strong Light-Matter Coupling

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-551444
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.55144

Mornhinweg, Joshua

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Date of publication of this fulltext: 09 Dec 2024 08:04

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	9 December 2024
Referee:	Prof. Dr. Rupert Huber
Date of exam:	21 November 2023
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Rupert Huber
Keywords:	light-matter coupling, ultrafast, non-adiabatic, ultrastrong coupling, deep-strong coupling, nonlinear optics, cyclotron resonance, metasurface, subcycle, magnetoplasmons
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:	55144

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Abstract (English)

Abstract (English)

Light-matter coupling utilizes quantum fluctuations of electromagnetic fields of the vacuum to shape and control properties of matter excitations and even the vacuum ground state itself. This thesis explores new regimes of ultrastrong and deep-strong light-matter coupling, presenting record coupling strengths and new schemes for controlling the interaction of light and matter modes, on strongly sub-wavelength scales and simultaneously faster than an oscillation cycle of light. These accomplishments are the result of a novel approach of coupling tailor-cut cyclotron resonances of two-dimensional electron gases hosted in semiconductor quantum wells to subwavelength THz modes of a new generation of plasmonic resonator structures.
First, lateral shaping of the quantum wells tailors the spatial overlap of the vacuum electric field and the polarization field of the matter excitation. This allows us, similar to the selection rules in classical optics, to custom-tailor the overlap between multiple matter and cavity modes. The introduction of off-resonant, multi-mode coupling offers a new quality of the vacuum ground state characterized by polaritons spanning over as much as 6 optical octaves, a vacuum population of 1.17 virtual photons and 1.06 virtual magnetoplasmon excitations, resulting in an equivalent light-matter coupling strength of Ω_R/ω_c = 3.19. Moreover, we drive an ultrastrongly coupled system with strong, coherent THz waveforms competing with the vacuum electromagnetic field and observe strong, non-perturbative nonlinearities up to eight-wave mixing. These nonlinear polariton correlations beyond the normal-mode approximation set the stage for nonlinear optical control of deep-strong coupling. Finally, we demonstrate a highly non-adiabatic switch-off of deep-strong coupling by selective photodoping of a switching element, collapsing the cavity field quasi-instantaneously and decoupling light and matter on time scales ten times faster than a cycle of light. In combination with the record vacuum photon population, this paves the way for the detection of vacuum radiation in a table-top experiment, in similarity to Unruh-Hawking radiation from black holes.

Translation of the abstract (German)

Licht-Materie-Kopplung ermöglicht es, die Quantenfluktuationen der elektromagnetischen Vakuumfelder zu nutzen, um Materieeigenschaften und sogar den Vakuumgrundzustand selbst zu formen und zu kontrollieren. In dieser Arbeit werden neue Regime der ultrastarken und tiefstarken Licht-Materie-Kopplung erforscht und Rekord-Kopplungsstärken sowie neue Verfahren zur Kontrolle der Wechselwirkung von Licht und Materie auf Sub-Wellenlängen-Skalen und gleichzeitig schneller als ein Schwingungszyklus des Lichts vorgestellt. Diese Errungenschaften werden ermöglicht durch die Kopplung maßgeschneiderter Zyklotronresonanzen zweidimensionaler Elektronengase in Halbleiter-Quantentöpfen mit auf Subwellenlänge komprimierten THz-Moden einer neuen Generation plasmonischer Resonatorstrukturen.
Eine zusätzliche Flächen-Strukturierung der Quantentöpfe ermöglicht den räumlichen Überlapp des elektrischen Vakuumfeldes und des Polarisationsfeldes der Materieanregung maßzuschneidern. Ähnlich wie mit den Auswahlregeln der klassischen Optik kann so der Überlapp zwischen mehreren Materie- und Resonatormoden angepasst werden. Mit Hilfe des neuen Konzeptes der nicht-resonanten Multimoden-Kopplung wird eine neue Qualität des Vakuumgrundzustands erreicht. Hier überspannen die Polaritonmoden bis zu 6 optische Oktaven und der Vakuumgrundzustand weist eine Population von bis zu 1,17 virtuellen Photonen und 1,06 virtuellen Magnetoplasmon-Anregungen auf. Dies entspricht einer Licht-Materie-Kopplungsstärke von Ω_R/ω_c = 3,19. Durch die Anregung eines ultrastark gekoppelten Systems mit starken, kohärenten THz-Wellenformen, dessen Stärke mit dem elektromagnetischen Vakuumfeld konkurriert, ist es möglich starke nicht-perturbativen Nichtlinearitäten bis hin zum Acht-Wellen-Mischen zu beobachten. Diese nichtlinearen Polariton-Korrelationen jenseits der Normalmoden-Näherung bilden die Grundlage für nichtlineare optische Kontrolle von tiefstark gekoppelten Systemen. Schließlich wird die hochgradig nicht-adiabatische Abschaltung tiefstarker Kopplung mithilfe selektiver Photodotierung eines Schaltelements gezeigt. Hierbei kollabiert das Resonatorfeld quasi-instantan und Licht und Materie werden zehnmal schneller als ein Lichtzyklus voneinander entkoppelt. In Kombination mit der Rekordpopulation von Vakuumphotonen ebnet dies den Weg für die Detektion von Vakuumstrahlung in einen Table-Top-Experiment, ähnlich der Unruh-Hawking von schwarzen Löchern.

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