Nonlinear dynamics of exciton-polariton condensates

Als Exziton-Polaritonen bezeichnet man in Halbleitermikrokavitäten angeregte Quasiteilchen, bestehend aus Quantenfilm-Exzitonen, die stark an die Photonen innerhalb der Kavität gekoppelt sind. Als zusammengesetzte Bosonen können Polaritonen einen Kondensationsprozess erfahren, ähnlich einer Bose-Einstein-Kondensation. Die Dynamik der Polaritonkondensate kann in vielen Aspekten theoretisch durch eine Gross-Pitaevskii (GP) - Gleichung beschrieben werden. Die theoretische Untersuchung dieser Dynamik unter nichtresonanter (inkohärenter) Anregung ist das Hauptziel dieser Arbeit. Hierbei werden in gleichförmigen Halbleitermikrokavitäten zuerst Modulationsinstabilität, spiralförmige Wellen und Wirbel von Kondensaten unter homogener Anregung untersucht. Unter lokalisierten ringförmigen Pumpfeldern werden kraterförmige Wirbel gefunden, wobei ihre Rotationsrichtungen, die Vorzeichen ihrer topologischen Ladungen, aufgrund der zufälligen Anfangsbedingungen beliebig sind. Für die Wirbelkontrolle werden zwei einfachere Methoden eingeführt: Elliptische Pumpsteuerung und Wirbel-Wirbel-Steuerung. Zweitens wird bei ungleichförmigen Halbleiter-Mikrokavitäten mit periodischen Potentialen eine klare Bandlückenstruktur beobachtet. Bei schwach kontrastierenden Gittern wird ein vereinfachtes Modell entwickelt, das mit dem vollen GP-Modell sehr gut übereinstimmt. Bei starken Potentialgittern werden kollektive Zustandsübergänge von Kondensaten unter einem spektral schmalen Pump untersucht. Letztendlich wird neben der Dynamik der Kondensate im Skalarmodell auch die Dynamik von Kondensaten im Spinor-Modell unter Berücksichtigung der Polarisationseffekte untersucht. Es wird gezeigt, dass das Zusammenspiel zweier Nichtlinearitäten stabile symbiotische Solitonen und Wirbel unterstützt.Exciton-polaritons are quasiparticles that are found in semiconductor microcavities and are composed of quantum well excitons strongly coupled to cavity photons. Being composite bosons polaritons can undergo a condensation process, similar to Bose-Einstein condensation. Theoretically, in many aspects the dynamics of polariton condensates can be described by a Gross-Pitaevskii (GP) equation. The main aim of this thesis is to theoretically investigate the dynamics of polariton condensates in semiconductor microcavities under nonresonant (incoherent) excitation. First, in uniform semiconductor microcavities, modulational instability, spiraling waves, and vortices of condensates are studied under homogeneous excitation. Under localized ring-shaped pumps, crater-shaped vortices are found, while their rotation directions, the signs of topological charges, are uncertain due to noisy initial conditions. Two simpler methods are introduced for the vortex control: elliptical pump control and vortex-vortex control. Second, in nonuniform semiconductor microcavities with periodic potentials, a clear band-gap structure is observed. In weak-contrast lattices a simplified model, which has very good agreement with the full GP model, is developed. In tight-trapping lattices, collective state transitions of condensates are studied under narrow pumps. Last, besides the dynamics of condensates in the scalar model, the dynamics of condensates in the spinor model are also studied considering the polarization effect. It is shown that the interplay of two nonlinearities supports stable symbiotic solitons and vortices.Xuekai Ma ; [Erstgutachter: Prof. Dr. Stefan Schumacher, Zweitgutachter: Prof. Dr. Torsten Meier]Tag der Verteidigung: 20.06.2017Universität Paderborn, Dissertation, 201