Breather arrest in a chain of damped oscillators with Hertzian contact

Breather propagation in a damped oscillatory chain with Hertzian nearest-neighbour coupling is investigated. The breather propagation exhibits an unusual two-stage pattern. The first stage is characterized by power-law decay of the breather amplitude. This stage extends over finite number of the chain sites. Drastic drop of the breather amplitude towards the end of this finite fragment is referred to as breather arrest. At the second stage, the breather exhibits very small amplitudes with hyper-exponential decay. Numeric results are rationalized by considering a simplified model of two damped linear oscillators coupled by Hertzian contact forces. Initial excitation of one of these oscillators results in a finite number of beating cycles in the system. This simplified model reliably predicts main features of the breather arrest. More general coupling potentials and effect of pre-compression on the breather propagation are also discussed

Dispersive, superfluid-like shock waves in nonlinear optics

In most classical fluids, shock waves are strongly dissipative, their energy being quickly lost through viscous damping. But in systems such as cold plasmas, superfluids, and Bose-Einstein condensates, where viscosity is negligible or non-existent, a fundamentally different type of shock wave can emerge whose behaviour is dominated by dispersion rather than dissipation. Dispersive shock waves are difficult to study experimentally, and analytical solutions to the equations that govern them have only been found in one dimension (1D). By exploiting a well-known, but little appreciated, correspondence between the behaviour of superfluids and nonlinear optical materials, we demonstrate an all-optical experimental platform for studying the dynamics of dispersive shock waves. This enables us to observe the propagation and nonlinear response of dispersive shock waves, including the interaction of colliding shock waves, in 1D and 2D. Our system offers a versatile and more accessible means for exploring superfluid-like and related dispersive phenomena.Comment: 21 pages, 6 figures Revised abstrac

Controlling light-matter interactions with two-dimensional semiconductors at cryogenic temperatures

Efficient interactions between solid-state systems and photons are the basis for the emerging quantum technologies. An outstanding challenge in facilitating light-matter interactions can be solved by the introduction of an optical resonator. By trapping the photons in a small volume, the interaction time with the solid-state system is increased in such quantum optics experiments. This thesis focuses on light-matter interactions with two-dimensional semiconductor transition-metal dichalcogenides. Strongly bound electron-hole pairs (excitons) in transition-metal dichalcogenides exhibit large oscillator strength and offer a valley degree-of-freedom in the band structure that interacts with specific polarization of light, this makes them an excellent prospect for quantum optics experiments. In this work, we realize light-matter interactions with monolayer tungsten diselenide in two experiments using different optical resonators. In the first experiment, we investigated a hybrid system combining localized plasmons, on the surface of gold nanodisks, with a monolayer tungsten diselenide. The coherent interference of excitons with plasmons yield an asymmetric optical response, known as Fano line-shape, in the limit of weak light-matter coupling. This optical response of the hybrid system is corroborated with a three-level model. In addition, magnetic field-induced valley-dependent exciton energy splitting is harnessed to achieve chiral reflection. The second experiment develops a modular tunable cavity at cryogenic temperatures. A major technological challenge involving scalable cryogenic experiments is mechanical vibrations. After a thorough understanding of the functionality of a closed-cycle cryostat, a variety of vibration-reduction techniques were applied to develop an open cavity setup. In comparison to the vibrations on the standard closed-cycle cryostat, we attain 50-fold reduction to reach the root-mean-square stability of less than 100 pm over the entire period of a cooling cycle. This enables the operation of a high-finesse cavity at low temperatures. Subsequently, the versatility of the platform was demonstrated in a controlled experiment with monolayer tungsten diselenide. Exciton-polaritons were observed in the high cooperativity strong-coupling regime.Effiziente Wechselwirkungen zwischen Festkörpersystemen und Photonen bilden die Grundlage für die aufstrebenden Quantentechnologien. Die zentrale Herausforderung bei der Kontrolle von Wechselwirkungen zwischen Licht undMaterie kann durch die Verwendung eines optischen Resonators gelöst werden. Durch Einfangen der Photonen in einem kleinen Volumen wird die Wechselwirkungszeit mit dem Festkörpersystem in solchen quantenoptischen Experimenten erhöht. Diese Arbeit konzentriert sich auf Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie in zweidimensionalen halbleitenden Übergangsmetalldichalkogeniden. Stark gebundene Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) in Übergangsmetalldichalkogeniden weisen eine große Oszillatorstärke auf und bieten einen weiteren Pseudospin-Freiheitsgrad in der Bandstruktur, der mit spezifischer Polarisation des Lichts interagiert. In dieser Arbeit realisieren wir in zwei Experimenten Licht-Materie-Wechselwirkungenmit monolagigem Wolframdiselenid mit unterschiedlichen optischen Resonatoren. Im ersten Experiment untersuchten wir ein Hybridsystem, das lokalisierte Plasmonen auf der Oberfläche von Goldnanoscheiben mit monolagigem Wolframdiselenid kombiniert. Kohärente Interferenz von Exzitonen mit Plasmonen ergibt eine asymmetrische spektrale Antwort - als Fano-Linienformbekannt - im Grenzfall schwacher Licht-Materie-Kopplung. Diese optische Antwort des Hybridsystems wird durch ein Drei-Niveau-Modell bestätigt. Zusätzlich wird die magnetfeldinduzierte Energieaufspaltung der Exzitonen genutzt, um chirale Reflexion zu ermitteln. Das zweite Experiment entwickelt einen modular abstimmbaren optischen Resonator bei kryogenen Temperaturen. Eine große technologische Herausforderung bei skalierbaren kryogenen Experimenten sind mechanische Schwingungen. Basierend auf einem gründlichen Verständnis der Funktionalität eines Kryostaten mit geschlossenem Kreislauf wurden verschiedene Techniken zur Schwingungsreduzierung implementiert, um einen Aufbau mit offenen optischen Resonatoren zu entwickeln. Im Vergleich zu Vibrationen des Standardsystems wurde eine 50-fache Verminderung erreicht, und somit über den gesamten Zeitraum eines Kühlzyklus eine mittlere Stabilität von weniger als 100 pm gewährleistet. Dies ermöglicht den Betrieb eines optischen Resonators mit hoher Finesse bei niedrigen Temperaturen. Anschließend wurde die Vielseitigkeit des Systems in einemkontrollierten Experimentmit monolagigem Wolframdiselenid demonstriert. Exziton-Polaritonen wurden im Regime starker Kopplung mit hoher Kooperativität beobachtet