Control of orbital angular momentum of exciton polariton condensates

Abstract

The goal of this work is to investigate the use of exciton polariton vortices for all optical information processing. To achieve this goal, we develop a novel technique based on sorting orbital angular momentum states of light, which allows for detecting and temporally tracing vortices in a light beam. We successfully implement and benchmark this technique and apply it to demonstrate the spontaneous formation of exciton polariton vortices inside all optically excited annular trapping potentials in a GaAs based microcavity. Subsequently we investigate the temporal dynamics of this formation process, which is strongly dependent on excitation power. Our experimental results show the simultaneous and statistically independent formation of vortex modes with topological charges m = −1 and m = +1. We gain further insight into the temporal dynamics of all arising modes by theoretically modeling our experimental results. Furthermore, in some cases vortices show spin-orbit coupling between their orbital angular momentum and their spin, which corresponds to the circular polarizations σ+ and σ-. In the final stage of our experiments, we experimentally verify the theoretical prediction that the topological charge of exciton polariton vortices may be flipped by perturbing them with a pulsed laser. Thereby we demonstrate the potential use of exciton polariton vortices as all-optical information storage.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von potenziellen Anwendungen von Vortizes in einem Exziton-Polariton System für die optische Informationsverarbeitung. Um diese Vortizes zu untersuchen, entwickeln wir eine neuartige Spektroskopiemethode, welche auf einer optischen Transformation zur Sortierung von Drehimpulszuständen des Lichts basiert und uns die Detektion und zeitliche Beobachtung von Vortizes in einem Lichtstrahl ermöglicht. Wir implementieren diese Technik und wenden sie erfolgreich an, um die spontane Bildung von Exziton-Polariton-Vortizes innerhalb einer rein optisch erzeugten Ringfalle in einer GaAs basierten Mikrokavität nachzuweisen. Anschließend untersuchen wir die zeitliche Dynamik dieses Bildungsprozesses, welcher sich stark mit der Anregungsleistung ändert. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen die gleichzeitige und statistisch unabhängige Bildung von Vortizes mit den topologischen Ladungen m = −1 und m = +1. Durch theoretische Modellierung des Exziton-Polariton Systems gewinnen wir tiefergehende Erkenntnisse über die zeitliche Dynamik aller auftretenden Moden. Weiterhin zeigen die untersuchten Vortizes in einigen Fällen eine Spin-Bahn-Kopplung zwischen ihrem Drehimpuls und ihrem Spin, welcher den zirkularen Polarisationen σ+ und σ- entspricht. Im letzten Schritt unserer Experimente verifizieren wir die theoretische Vorhersage, dass der Drehsinn von Vortizes durch gezielte optische Manipulation mit zusätzlichen Laserpulsen umgeschaltet werden kann. Damit zeigen wir den potenziellen Nutzen von Exziton-Polariton-Vortizes als rein optische Informationsspeicher auf.