Bosonic lasers: The state of the art (Review Article)

Физика Низких Температур: Том 42, Выпуск 5 (Май 2016), c. 417-425 ( к оглавлению , назад )

Bosonic lasers: The state of the art (Review Article)

Alexey Kavokin

Russian Quantum Center, Novaya 100, 143025 Skolkovo, Moscow Region, Russia
School of Physics and Astronomy, University of Southampton, Highfield, Southampton, SO17 1BJ, UK

Spin Optics Laboratory, St.-Petersburg State University, 198504 Peterhof, St.-Petersburg, Russia
E-mail: a.kavokin@soton.ac.uk

Timothy C.H. Liew

Division of Physics and Applied Physics, Nanyang Technological University 637371, Singapore

Christian Schneider and Sven Höfling

Technische Physik, Wilhelm-Conrad-Röntgen-Research Center for Complex Material Systems, Universität Würzburg, Am Hubland, D-97074 Würzburg, Germany

Received January 4, 2016

Abstract

Bosonic lasers represent a new generation of coherent light sources. In contrast to conventional, fermionic, lasers they do not require inversion of electronic population and do not rely on the stimulated emission of radiation. Bosonic lasers are based on the spontaneous emission of light by condensates of bosonic quasi-particles. The first realization of bosonic lasers has been reported in semiconductor microcavities where bosonic condensates of exciton-polaritons first studied several decades ago by K.B. Tolpygo can be formed under optical or electronic pumping. In this paper we overview the recent progress in the research area of polaritonics, address the perspective of realization of polariton devices: from bosonic cascade lasers to spin transistors and switches.

PACS: 78.67.–n Optical properties of low-dimensional, mesoscopic, and nanoscale materials and structures;
PACS: 78.45.+h Stimulated emission;
PACS: 71.35.–y Excitons and related phenomena;
PACS: 42.50.Ar Photon statistics and coherence theory.

Key words: polariton, lasing, Bose–Einstein condensation, vortices.

Published online: March 23, 2016

References

1. A. Einstein , Verh. Dtsch. Phys. Ges. 18, 318 (1916).CAS Google Scholar

2. L. A. Coldren and S. W. Corzine , Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits (Wiley, 1995). Google Scholar

3. A. Imamoglu , R. J. Ram , S. Pau , and Y. Yamamoto , Phys. Rev. 53, 4250 (1996). CrossRef Google Scholar

4. I. Bloch , T. Hansch , and T. Esslinger , Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999). CrossRef Google Scholar

5. C. Weisbuch , M. Nishioka , A. Ishikawa , and Y. Arakawa , Phys. Rev. Lett. 69, 3314 (1992). CrossRef Google Scholar

6. J. Kasprzak , M. Richard , S. Kundermann , A. Baas , P. Jeambrun , J. M. J. Keeling , F. M. Marchetti , M. H. Szymanska , R. AndrÃ© , J. L. Staehli , V. Savona , P. B. Littlewood , B. Deveaud , and Le. Si Dang , Nature 443, 409 (2006). CrossRef Google Scholar

7. L. S. Dang , D. Heger , R. AndrÃ© , and R. Romestain , Phys. Rev. Lett. 81, 3920 (1998). CrossRef Google Scholar

8. H. Deng , G. Weihs , C. Santori , J. Bloch , and Y. Yamamoto , Science 298, 199 (2002). CrossRef Google Scholar

9. R. Balili , V. Hartwell , D. Snoke , and K. West , Science 316, 1007 (2007). CrossRef Google Scholar

10. C. W. Lai , N. Y. Kim , S. Utsunomiya , G. Roumpos , H. Deng , M. D. Fraser , T. Brynes , P. Recher , N. Kumada , T. Fujisawa , and Y. Yamamoto , Nature 450, 529 (2007). CrossRef Google Scholar

11. M. Maragkou , A. J. D. Grundy , T. Ostatnicky , and P. G. Lagoudakis , Appl. Phys. Lett. 97, 111110 (2010). CrossRef Google Scholar

12. F. Tassone , C. Piermarocchi , V. Savona , A. Quattropani , and P. Schwendimann , Phys. Rev. B 56, 7554 (1997). CrossRef Google Scholar

13. D. Porras , C. Ciuti , J. J. Baumberg , and C. Tejedor , Phys. Rev. B 66, 085304 (2002). CrossRef Google Scholar

14. S. Christopoulos , G. Baldassarri Hoger von Hogersthal , A. J. D. Grundy , P. G. Lagoudakis , A. V. Kavokin , J. J. Baumberg , G. Christmann , R. Butte , E. Feltin , J.-F. Carlin , and N. Grandjean , Phys. Rev. Lett. 98, 126405 (2007). CrossRef Google Scholar

15. K. S. Daskalis , P. S. Eldridge , G. Christmann , E. Trichas , R. Murray , E. Iliopoulos , E. Monroy , N. T. Pelekanos , J. J. Baumberg , and P. G. Savvidis , Appl. Phys. Lett. 102, 101113 (2013). CrossRef Google Scholar

16. D. Bajoni , P. Senellart , E. Wertz , I. Sagnes , A. Miard , A. Lemaitre , and J. Bloch , Phys. Rev. Lett. 100, 047401 (2008). CrossRef Google Scholar

17. B. Zhang , Z. Wang , S. Brodbeck , C. Schneider , M. Kamp , S. Hofling , and H. Deng , Light: Sci. App. 3, e135 (2014). CrossRef Google Scholar

18. S. Azzini , D. Gerace , M. Galli , I. Sagnes , R. Braive , A. Lemaitre , J. Bloch , and D. Bajoni , Appl. Phys. Lett. 99, 111106 (2011). CrossRef Google Scholar

19. Q. Duan , D. Xu , W. Liu , J. Lu , L. Zhang , J. Wang , Y. Wang , J. Gu , T. Hu , W. Xie , X. Shen , and Z. Chen , Appl. Phys. Lett. 103, 022103 (2013). CrossRef Google Scholar

20. F. Li , L. Orosz , O. Kamoun , S. Bouchoule , C. Brimont , P. Disseix , T. Guillet , X. Lafosse , M. Leroux , J. Leymarie , M. Mexis , M. Mihailovic , G. Patriarche , F. Reveret , D. Solnyshkov , J. Zuniga-Perez , and G. Malpuech , Phys. Rev. Lett. 110, 196406 (2013). CrossRef Google Scholar

21. W. Xie , H. Dong , S. Zhang , L. Sun , W. Zhou , Y. Ling , J. Lu , X. Shen , and Z. Chen , Phys. Rev. Lett. 108, 166401 (2012). CrossRef Google Scholar

22. S. Kena-Cohen and S. R. Forrest , Nat. Photon. 4, 371 (2010). CrossRef Google Scholar

23. J. D. Plumhof , T. Stoferle , L. Mai , U. Scherf , and R. F. Mahrt , Nat. Mater. 13, 247 (2014). CrossRef Google Scholar

24. K. S. Daskalis , S. A. Maier , R. Murray , and S. Kena-Cohen , Nat. Mater. 13, 271 (2014). CrossRef Google Scholar

25. C. Schneider , A. Rahimi-Iman , N. Y. Kim , J. Fischer , I. G. Savenko , M. Amthor , M. Lermer , A. Wolf , L. Worschech , V. D. Kulakovskii , I. A. Shelykh , M. Kamp , S. Reitzenstein , A. Forchel , Y. Yamamoto , and S. Hofling , Nature 497, 348 (2013). CrossRef Google Scholar

26. M. Amthor , S. WeiÃensel , J. Fischer , M. Kamp , C. Schneider , and S. HÃ¶fling , Opt. Express 22, 31146 (2014). CrossRef Google Scholar

27. A. P. D. Love , D. N. Krizhanovskii , D. M. Whittaker , R. Bouchekioua , D. Sanvitto , S. Al Rizeiqi , R. Bradley , M. S. Skolnick , P. R. Eastham , R. AndrÃ© , and Le. Si Dang , Phys. Rev. Lett. 101, 067404 (2008). CrossRef Google Scholar

28. V. V. Belykh , N. N. Sibeldin , V. D. Kulakovskii , M. M. Glazov , M. A. Semina , C. Schneider , S. HÃ¶fling , M. Kamp , and A. Forchel , Phys. Rev. Lett. 110, 137402 (2013). CrossRef Google Scholar

29. A. Baas , K. G. Lagoudakis , M. Richard , R. AndrÃ© , L. S. Dang , and B. Deveaud-PlÃ©dran , Phys. Rev. Lett. 100, 170401 (2008). CrossRef Google Scholar

30. M. Wouters and I. Carusotto , Phys. Rev. Lett. 99, 140402 (2007). CrossRef Google Scholar

31. J. Keeling and N. G. Berloff , Phys. Rev. Lett. 100, 250401 (2007). CrossRef Google Scholar

32. A. S. Rodrigues , P. G. Kevrekidis , R. Carretero-Gonzalez , J. Cuevas-Maraver , D. J. Frantzeskakis , and F. Palmero , J. Phys.: Condens. Matter 26, 155801 (2014). CrossRef Google Scholar

33. E. A. Ostrovskaya , J. Abdullaev , A. S. Desyatnikov , M. D. Fraser , and Y. S. Kivshar , Phys. Rev. A 86, 13636 (2012). CrossRef Google Scholar

34. F. Pinsker and H. Flayac , Phys. Rev. Lett. 112, 140405 (2014). CrossRef Google Scholar

35. D. V. Karpov , I. G. Savenko , H. Flayac , and N. N. Rosanov , Phys. Rev. B 92, 075305 (2015). CrossRef Google Scholar

36. L. A. Smirnov , D. A. Smirnova , E. A. Ostrovskaya , and Y. S. Kivshar , Phys. Rev. B 89, 235310 (2014). CrossRef Google Scholar

37. Y. Yue and M. Matuszewski , Phys. Rev. Lett. 112, 216401 (2014). CrossRef Google Scholar

38. M. O. Borgh , J. Keeling , and N. G. Berloff , Phys. Rev. B 81, 235302 (2010). CrossRef Google Scholar

39. L. Ge , A. Nersisyan , B. Oztop , and H. E. Tureci , arXiv:1311.4847. CrossRef Google Scholar

40. T. C. H. Liew , O. A. Egorov , M. Matuszewski , O. Kyriienko , X. Ma , and E. Ostrovskaya , Phys. Rev. B 91, 085413 (2015). CrossRef Google Scholar

41. K. G. Lagoudakis , M. Wouters , M. Richard , A. Baas , I. Carusotto , R. Andre , L. S. Dang , and B. Deveaud-Pledran , Nat. Phys. 4, 706 (2008). CrossRef Google Scholar

42. K. G. Lagoudakis , T. Ostatnicky , A. V. Kavokin , Y. G. Rubo , R. Andre , and B. Deveaud-Pledran , Science 326, 974 (2009). CrossRef Google Scholar

43. K. G. Lagoudakis , F. Manni , B. Pietka , M. Wouters , T. C. H. Liew , V. Savona , A. V. Kavokin , R. Andre , and B. Deveaud-Pledran , Phys. Rev. Lett. 106, 115301 (2011). CrossRef Google Scholar

44. F. Manni , K. G. Lagoudakis , T. C. H. Liew , R. AndrÃ© , V. Savona , and B. Deveaud-PlÃ©dran , Nat. Commun. 3, 1309 (2012). CrossRef Google Scholar

45. J. M. Kosterlitz and D. J. Thouless , J. Phys. C: Solid State Phys. 6, 1181 (1973). CrossRef Google Scholar

46. G. Roumpos , M. D. Fraser , A. LÃ¶ffler , S. HÃ¶fling , A. Forchel , and Y. Yamamoto , Nat. Phys. 7, 129 (2011). CrossRef Google Scholar

47. A. Askitopoulos , H. Ohadi , A. V. Kavokin , Z. Hatzopoulos , P. G. Savvidis , and P. G. Lagoudakis , Phys. Rev. B 88, 041308 (R) (2013). CrossRef Google Scholar

48. P. Cristofolini , A. Dreismann , G. Christmann , G. Franchetti , N. G. Berloff , P. Tsotsis , Z. Hatzopoulos , P. G. Savvidis , and J. J. Baumberg , Phys. Rev. Lett. 110, 186403 (2013). CrossRef Google Scholar

49. R. Dall , M. D. Fraser , A. S. Desyatnikov , G. Li , S. Brodbeck , M. Kamp , C. Schneider , S. HÃ¶fling , and E. A. Ostrovskaya , Phys. Rev. Lett. 113, 200404 (2014). CrossRef Google Scholar

50. F. Manni , T. C. H. Liew , K. G. Lagoudakis , C. Ouellet-Plamondon , R. AndrÃ© , and B. Deveaud-Pledran , Phys. Rev. B 88, 201303(R) (2013). CrossRef Google Scholar

51. G. Roumpos , W. H. Nitsche , S. HÃ¶fling , A. Forchel , and Y. Yamamoto , Phys. Rev. Lett. 104, 126403 (2010). CrossRef Google Scholar

52. W. Wertz , L. Ferrier , D. D. Solnyshkov , R. Johne , D. Sanvitto , A. LemaÃ®tre , I. Sagnes , R. Grousson , A. V. Kavokin , P. Senellart , G. Malpuech , and J. Bloch , Nat. Phys. 6, 860 (2010). CrossRef Google Scholar

53. M. Galbiati , L. Ferrier , D. D. Solnyshkov , D. Tanese , E. Wertz , A. Amo , M. Abbarchi , P. Senellart , I. Sagnes , A. LemaÃ®tre , E. Galopin , G. Malpuech , and J. Bloch , Phys. Rev. Lett. 108, 126403 (2012). CrossRef Google Scholar

54. N. Y. Kim , K. Kusudo , C. Wu , N. Masumoto , A. LÃ¶ffler , S. HÃ¶fling , N. Kumada , L. Worschech , A. Forchel , and Y. Yamamoto , Nat. Phys. 7, 681 (2011). CrossRef Google Scholar

55. N. Y. Kim , K. Kusudo , A. Loffler , S. Hofling , A. Forchel , and Y. Yamamoto , New J. Phys. 15, 035032 (2013). CrossRef Google Scholar

56. D. Tanese , H. Flayac , D. Solnyshkov , A. Amo , A. Lemaitre , E. Galopin , R. Braive , P. Senellart , I. Sagenes , G. Malpuech , and J. Bloch , Nat. Commun. 4, 1749 (2013). CrossRef Google Scholar

57. L. Zhang , W. Xie , J. Wang , A. Poddubny , J. Lu , Y. Wang , J. Gu , W. Liu , D. Xu , X. Shen , Y. G. Rubo , B. L. Altshuler , A. V. Kavokin , and Z. Chen , Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112, E1516 (2015). CrossRef Google Scholar

58. K. Kusudo , N. Y. Kim , A. Loffler , S. HÃ¶fling , A. Forchel , and Y. Yamamoto , Phys. Rev. B 87, 214503 (2013). CrossRef Google Scholar

59. G. Christmann , G. Tosi , N. G. Berloff , P. Tsotsis , P. S. Eldridge , Z. Hatzopoulos , P. G. Savvidis , and J. J. Baumberg , Phys. Rev. B 85, 235303 (2012). CrossRef Google Scholar

60. F. Manni , K. G. Lagoudakis , T. C. H. Liew , R. AndrÃ© , and B. Deveaud-PlÃ©dran , Phys. Rev. Lett. 107, 106401 (2011). CrossRef Google Scholar

61. A. Baas , J. P. Karr , H. Eleuch , and E. Giacobino , Phys. Rev. A 69, 23809 (2004). CrossRef Google Scholar

62. E. Cancellieri , F. M. Marchetti , M. H. Szymanska , and C. Tejedor , Phys. Rev. B 83, 214507 (2011). CrossRef Google Scholar

63. N. A. Gippius , I. A. Shelykh , D. D. Solnyshkov , S. S. Gavrilov , Y. G. Rubo , A. V. Kavokin , S. G. Tikhodeev , and G. Malpuech , Phys. Rev. Lett. 98, 236401 (2008). CrossRef Google Scholar

64. T. K. Paraiso , M. Wouters , Y. Leger , F. Morier-Genoud , and B. Deveaud-Pledran , Nat. Mater. 9, 655 (2010). CrossRef Google Scholar

65. R. Cerna , Y. Leger , T. K. Paraiso , M. Wouters , F. Morier-Genoud , M. T. Portella-Oberli , and B. Deveaud , Nat. Commun. 4, 2008 (2013). CrossRef Google Scholar

66. A. Amo , T. C. H. Liew , C. Adrados , R. HoudrÃ© , E. Giacobino , A. V. Kavokin , and A. Bramati , Nat. Photonics 4, 361 (2010). CrossRef Google Scholar

67. M. De Giorgi , D. Ballarini , E. Cancellieri , F. M. Marchetti , M. H. Szymanska , C. Tejedor , R. Cingolani , E. Giacobino , A. Bramati , G. Gigli , and D. Sanvitto , Phys. Rev. Lett. 109, 266407 (2012). CrossRef Google Scholar

68. G. Liu , D. W. Snoke , A. Daley , L. Pfeiffer , and K. West , Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112, 2676 (2015). CrossRef Google Scholar

69. G. Li , M. D. Fraser , A. Yakimenko , and E. Ostrovskaya , Phys. Rev. B 91, 184518 (2015). CrossRef Google Scholar

70. H. Sigurdsson , O. A. Egorov , X. Ma , I. A. Shelykh , and T. C. H. Liew , Phys. Rev. B 90, 014504 (2014). CrossRef Google Scholar

71. H. Ohadi , A. Dreismann , Y. G. Rubo , F. Pinsker , Y. del Valle-Inclan Redondo , S. I. Tsintzos , Z. Hatzopoulos , P. G. Savvidis , and J. J. Baumberg , Phys. Rev. X5, 31002 (2015). Google Scholar

72. M. Amthor , T. C. H. Liew , C. Metzger , S. Brodbeck , L. Worschech , M. Kamp , I. A. Shelykh , A. V. Kavokin , C. Schneider , and S. Hofling , Phys. Rev. B 91, 081404(R) (2015). CrossRef Google Scholar

73. O. Kyriienko , E. A. Ostrovskaya , O. A. Egorov , I. A. Shelykh , and T. C. H. Liew , Phys. Rev. B 90, 125407 (2014). CrossRef Google Scholar

74. G. Li , T. C. H. Liew , O. A. Egorov , and E. A. Ostrovskaya , Phys. Rev. B 92, 064304 (2015). CrossRef Google Scholar

75. C. Sturm , D. Tanese , H. S. Nguyen , H. Flayac , E. Gallopin , A. Lemaitre , I. Sagnes , D. Solnyshkov , A. Amo , G. Malpuech , and J. Bloch , Nat. Commun. 5, 3278 (2013). Google Scholar

76. C. Anton , T. C. H. Liew , G. Tosi , M. D. Martin , T. Gao , Z. Hatzopoulos , P. S. Eldridge , P. G. Savvidis , and L. Vina , Appl. Phys. Lett. 101, 261116 (2012). CrossRef Google Scholar

77. T. Gao , P. S. Eldridge , T. C. H. Liew , S. I. Tsintzos , G. Stavrinidis , G. Deligeorgis , Z. Hatzopoulos , and P. G. Savvidis , Phys. Rev. B 85, 235102 (2012). CrossRef Google Scholar

78. D. Ballarini , M. De Giorgi , E. Cancellieri , R. Houdre , E. Giacobino , R. Cingolani , A. Bramati , G. Gigli , and D. Sanvitto , Nat. Commun. 4, 1778 (2013). CrossRef Google Scholar

79. M. Wouters , New J. Phys. 14, 075020 (2012). CrossRef Google Scholar

80. T. Gao , C. AntÃ¶n , T. C. H. Liew , M. D. Martin , Z. Hatzopoulos , L. Vina , P. S. Eldridge , and P. G. Savvidis , Appl. Phys. Lett. 107, 011106 (2015). CrossRef Google Scholar

81. D. Dragoman and M. Dragoman , Prog. Quantum Electron. 28, 1 (2004). CrossRef Google Scholar

82. J. Federici and L. Moeller , J. Appl. Phys. 107, 111101 (2010). CrossRef Google Scholar

83. C. Walther , G. Scalari , M. I. Amanti , M. Beck , and J. Faist , Science 327, 1495 (2010). CrossRef Google Scholar

84. J. Faist , F. Capasso , D. L. Sivco , C. Sirtori , A. L. Hutchinson , and A. Y. Cho , Science 264, 553 (1994). CrossRef Google Scholar

85. S. De Liberato , C. Ciuti , and C. C. Phillips , Phys. Rev. B 87, 241304(R) (2013). CrossRef Google Scholar

86. S. Huppert , O. Lafont , E. Baudin , J. Tignon , and R. Ferreira , Phys. Rev. B 90, 241302(R) (2014). CrossRef Google Scholar

87. K. V. Kavokin , M. A. Kaliteevski , R. A. Abram , A. V. Kavokin , S. Sharkova , and I. A. Shelykh , Appl. Phys. Lett. 97, 201111 (2010). CrossRef Google Scholar

88. A. V. Kavokin , I. A. Shelykh , T. Taylor , and M. M. Glazov , Phys. Rev. Lett. 108, 197401 (2012). CrossRef Google Scholar

89. I. G. Savenko , I. A. Shelykh , and M. A. Kaliteevski , Phys. Rev. Lett. 107, 027401 (2011). CrossRef Google Scholar

90. T. C. H. Liew , M. M. Glazov , K. V. Kavokin , I. A. Shelykh , M. A. Kaliteevski , and A. V. Kavokin , Phys. Rev. Lett. 110, 047402 (2013). CrossRef Google Scholar

91. G. Christmann , C. Coulson , J. J. Baumberg , N. T. Pelekanos , Z. Hatzopoulos , S. I. Tsintzos , and P. G. Savvidis , Phys. Rev. B 82, 113308 (2010). CrossRef Google Scholar

92. Y. Y. Zhang , L. J. J. Shi , G. J. Jin , and B. S. Zou , J. Appl. Phys. 107, 053527 (2010). CrossRef Google Scholar

93. M. A. Kaliteevski , K. A. Ivanov , G. Pozina , and A. J. Gallant , Sci. Rep. 4, 5444 (2014). CrossRef Google Scholar

94. G. Tosi , G. Christmann , N. G. Berloff , P. Tsotsis , T. Gao , Z. Hatzopoulos , P. G. Savvidis , and J. J. Baumberg , Nat. Phys. 8, 190 (2012). CrossRef Google Scholar

95. E. Wertz , A. Amo , D. D. Solnyshkov , L. Ferrier , T. C. H. Liew , D. Sanvitto , P. Senellart , I. Sagnes , A. Lemaitre , A. V. Kavokin , G. Malpuech , and J. Bloch , Phys. Rev. Lett. 109, 216404 (2012). CrossRef Google Scholar

96. P. Bhattacharya , T. Frost , S. Deshpande , M. Z. Baten , A. Hazari , and A. Das , Phys. Rev. Lett. 112, 236802 (2014). CrossRef Google Scholar

97. C. AntÃ¶n , T. C. H. Liew , D. Sarkar , M. D. Martin , Z. Hatzopoulos , P. S. Eldridge , P. G. Savvidis , and L. Vina , Phys. Rev. B 89, 235312 (2014). CrossRef Google Scholar