Bose-Einstein-Kondensate von Photonen in variablen Potentialen

In unseren mit zwei gekrümmten Resonatorspiegeln realisierten Farbstoff-Mikroresonatoren, in denen erstmals eine Bose-Einstein-Kondensation von Licht beobachtet wurde, ist das Fallenpotenzial für das zwei-dimensionale photonische Gas durch die Resonatorgeometrie gegeben. Allgemein ergeben transversal variierende Spiegelabstände und Krümmungen eine lokal variierende Potentiallandschaft. Dabei führt ein lokal größerer Spiegelabstand zu einem attraktiven Potential, da die Photonen dann weniger Energie (größere Wellenlängen) benötigen, um die Randbedingungen zu erfüllen.

Wir haben experimentelle Techniken entwickelt, mit denen wir die Geometrie der Mikrokavität so verändern können, dass auch Gitterpotentiale für Photonen realisiert werden können. Dabei wurde in einem ersten Ansatz der physikalische Abstand zwischen den Resonatorspiegeln unverändert gelassen und der Brechungsindex der Farbstofflösung, der ein wärmeempfindliches Polymer zugesetzt wurde, durch räumlich selektive Erwärmung erhöht. Die daraus resultierende Verlängerung des optischen Weges führt zu lokalen Potentialminima, die wir in unterschiedlichen Gitterstrukturen anordnen konnten.

In anderen Arbeiten haben wir eine Technik zur dauerhaften Strukturierung von prinzipiell beliebig geformten Potentialen für Resonatorphotonen entwickelt. Dazu wird die reflektierende Oberfläche eines dielektrischen Spiegels durch kontrollierte wärmeinduzierte Delamination räumlich strukturiert. Durch Bestrahlung mit einem fokussierten, transversal steuerbaren Laserstrahl, wird eine lokale Erwärmung durch Absorption in einer dünnen Siliziumschicht, die unter einer der reflektierenden dielektrischen Beschichtungen des Resonatorspiegels angeordnet ist erreicht. Die erzielte Strukturierung des reflektierenden Oberflächenprofils scheint das Reflexionsvermögen des Spiegels nicht merklich zu beeinflussen.

Die beschriebene Methode der permanenten Strukturierung hat es uns kürzlich ermöglicht, eine Bose-Einstein-Kondensation in einen kohärent aufgespaltenen Zustand des Lichts zu demonstrieren.  Dazu erzeugen wir im Farbstoff-Mikroresonator ein Doppeltopfpotential, das von einem harmonischen Fallenpotential überlagert wird. Die Photonen thermisieren in der kombinierten Falle durch wiederholte Absorptions-Remissionsprozesse an den Farbstoffmolekülen auf Raumtemperatur. Die Bose-Einstein-Kondensation führt hier zu einer makroskopischen Besetzung von Photonen in der symmetrischen Linearkombination der an den beiden Gitterplätzen lokalisierten Eigenfunktionen, die den Grundzustand des Systems im Resonator darstellt. Wir haben auch die Phasenkohärenz zwischen den optischen Wellenfunktionskomponenten der verschiedenen Gitterplätze nachgewiesen. Vor kurzen wurden in unseren Labors mit dem Verfahren der permanenten Strukturierung auch komplexe Potentialstrukturen, wie gekoppelte Gitteranordnungen mit einer größeren Anzahl von Plätzen, erfolgreich realisiert.

Kondensation zu einer kohärenten Überlagerung:

A: Oberflächenprofil eines delaminierten Resonatorspiegels (links) und resultierendes Potenzial im Mikroresonator(rechts).

B: Räumliche Photonenverteilung oberhalb der Kondensationsschwelle. Deutlich sichtbar ist die makroskopische Besetzung des symmetrischen Überlagerungsgrundzustands im Fallenzentrum. 

D. Dung, C. Kurtscheid, T. Damm, J. Schmitt, F. Vewinger, M. Weitz, and J. Klaers, Nature Photonics 11, 565 (2017).

C. Kurtscheid, D. Dung, E. Busley, F. Vewinger, A. Rosch, and M. Weitz, Science 366, 894 (2019).

C. Kurtscheid, D. Dung, A. Redmann, E. Busley, J. Klaers, F. Vewinger, J. Schmitt, and M. Weitz, Europhys. Lett. 130, 54001 (2020).