Strong photon-magnetoexciton coupling in quantum metamaterials: Nonlocal homogenization approach

Анотація

Досліджено квантовий метаматеріал, що складається з діелектричного шару та нелокального напівпровідникового шару з вбудованою квантовою ямою, яка є джерелом магнітоекситонів у зовнішньому постійному магнітному полі. Аналіз базується на розширеній теорії нелокальної гомогенізації, яка враховує як структурну нелокальність періодичного середовища, так і квантову нелокальність обмежених магнітоекситонів. Запропонований підхід дозволяє визначити дисперсійні співвідношення та ефективну нелокальну діелектричну проникність, а також встановити характеристики фотонних мод Блоха та спектральні положення магнітоекситонних резонансів. Показано, що результати мають вирішальне значення для оптимізації проєктування скінченних фотонних кристалів та для адекватної ідентифікації походження ознак сильного зв’язку в оптичних спектрах. Досліджено оптичні властивості структури з дев’яти періодів діелектрик–напів­провідник, розміщеної між середовищами з високим показником заломлення, як функцію кута падіння θ, який визначає збудження мод Фабрі–Перо з різною локалізацією поля та радіаційними втратами. Для малих значень θ, коли поля залишаються поширюваними в діелектричних шарах, збудження мод Фабрі–Перо призводить до розщеплення Рабі приблизно 4.5 меВ. При більших значеннях θ, де поля в діелектричних пластинах стають еванесцентними, дві послідовні моди Фабрі–Перо одночасно зв’язуються у два магнітоекситонні резонанси, що призводить до чітких розщеплень 7,5 та 7,2 меВ. Така одночасна взаємодія двох мод, реалізована в маловтратній діелектрично-напівпровідниковій структурі, відрізняється від раніше досліджених систем, де сильний зв’язок зазвичай охоплює лише одну фотонну моду та один магнітоекситонний рівень. Отримані результати демонструють перспективність розглянутої структури для створення керованих поляритонних пристроїв.