Quantum fluid effects and parametric instabilities in microcavities

We present a description of the non-equilibrium properties of a microcavity polariton fluid, injected by a nearly-resonant continuous wave pump laser. In the first part, we point out the interplay between the peculiar dispersion of the Bogolubov-like polariton excitations and the onset of polariton parametric instabilities. We show how collective excitation spectra having no counterpart in equilibrium systems can be observed by tuning the excitation angle and frequency. In the second part, we explain the impact of these collective excitations on the in-plane propagation of the polariton fluid. We show that the resonant Rayleigh scattering induced by artificial or natural defects is a very sensitive tool to show fascinating effects such as polariton superfluidity or polariton Cherenkov effect. We present a comprehensive set of predicted far-field and near-field images for the resonant Rayleigh scattering emission.Comment: 25 figures, 16 pages lon

Broadband near-infrared astronomical spectrometer calibration and on-sky validation with an electro-optic laser frequency comb

The quest for extrasolar planets and their characterisation as well as studies of fundamental physics on cosmological scales rely on capabilities of high-resolution astronomical spectroscopy. A central requirement is a precise wavelength calibration of astronomical spectrographs allowing for extraction of subtle wavelength shifts from the spectra of stars and quasars. Here, we present an all-fibre, 400 nm wide near-infrared frequency comb based on electro-optic modulation with 14.5 GHz comb line spacing. Tests on the high-resolution, near-infrared spectrometer GIANO-B show a photon-noise limited calibration precision of <10 cm/s as required for Earth-like planet detection. Moreover, the presented comb provides detailed insight into particularities of the spectrograph such as detector inhomogeneities and differential spectrograph drifts. The system is validated in on-sky observations of a radial velocity standard star (HD221354) and telluric atmospheric absorption features. The advantages of the system include simplicity, robustness and turn-key operation, features that are valuable at the observation sites

Coherence properties of microcavity polaritons:from parametric scattering to Bose-Einstein condensation

This thesis presents the coherence properties of polaritons in semiconductor microcavities. Semiconductor microcavities are microstructures in which the exciton ground state of a semiconductor quantum well is coupled to a photonic mode of a microresonator. The strong coupling mixes the character of excitons and photons, giving rise to the lower and upper polariton branches, quasiparticles with an unusual energetic dispersion relation due to the extreme mass difference between exciton and photon. Particularly special is the dispersion of the lower polariton, which forms a dip in the 2-dimensional k-space around the lowest energy state with zero in-plane momentum. In this dip, which can be seen as a trap in momentum space, the polaritons are efficiently isolated from dephasing mechanisms involving phonons. Polaritons can be resonantly excited at desired points on the polariton dispersion by shining on the microcavity laser light at the appropriate angle and wavelength. Polaritons can interact and scatter pairwise with each other conserving energy and in plane momentum k, a process similar to parametric scattering of photons in a nonlinear crystal. One polariton from a pump reservoir scatters down to the signal state at k = 0 (corresponding to normal incidence) and a second takes away the excess energy and momentum of the first and scatters up to the idler position ({kP, kP} → {0, 2kP }). This process can be stimulated by a small amount of signal polaritons injected with a probe laser beam at normal incidence. Here the coherence properties of the polariton parametric scattering have been investigated using spectroscopy techniques sensitive to the optical phase, for example coherent control with phase-locked femtosecond probe pulses. Just above the threshold for the stimulated parametric scattering, the parametric amplification process is given by the linear superposition of the individual amplification processes of each probe pulse. The emission of signal, pump, and idler can be controlled by tuning the relative phase of the 150fs-long probe pulses, which are separated by a few picoseconds in time. Experiments are presented that deal with the real-time dynamics of the parametric scattering in the spontaneous and the stimulated regime. It is shown, that in the spontaneous regime the scattering is started by a small amount of polaritons which have relaxed to the band bottom by emitting phonons. In the regime where polariton scattering is stimulated by an external probe, the rise of the signal intensity is delayed with respect to the arrival time of both pump and probe, a feature that can be attributed to the complex phase-matching mechanism for the parametric scattering. In the second part of the thesis, the spontaneous build up of a macroscopic coherence in a CdTe microcavity under non-resonant laser excitation is analysed. The build up of a long-range spatial coherence easily exceeding the thermal wavelength of the polaritons is shown. This is the hallmark of Bose-Einstein condensation and the proof of a macroscopic wavefunction. Experimental data on the statistical distribution of the polaritons in time, the polarisation of the non-linear emission, and the quantum transition from a thermal to a coherent state1 confirm that Bose-Einstein condensation of microcavity polaritons has been observed. We regard these observations as the first bullet-proof evidence for spontaneous Bose-Einstein condensation in a solid state system, a phenomenon that has been the subject to many investigations and controversies during the past four decades. ------------------------------ 1 The data about the statistical distribution, the polarisation, and the transition from a thermal to a coherent state is by courtesy of Jacek Kasprzak of the University of Grenoble

Ansätze zur Qualitätsverbesserung von Wissensprozessen

Durch Prozessverbesserungen ist es möglich, den Ressourcenverbrauch einer Unternehmung zu reduzieren, ohne an den Eigenschaften des erstellten Gutes Abstriche vornehmen zu müssen. Intuitiv ist ersichtlich, dass eine bessere Ausnutzung der vorhandenen Ressourcen vorteilhaft für die Unternehmung ist. Mit dem Übergang zur Informationsgesellschaft stellt sich die Frage, inwiefern traditionelle Verfahren zur Prozessverbesserung sich auf die immer bedeutender werdende Ressource „Wissen“ anwenden lassen. Hat Wissen in Verfahren zur Erstellung physischer Güter noch eine nur unterstützende Funktion, so stellt es in Branchen, deren Focus in der Entwicklung von Wissen liegt, den wichtigsten „Produktionsfaktor“ dar. In vorliegendem Text wird der Versuch unternommen, bekannte Verfahren zur Qualitätsverbesserung von Prozessen dahingehend zu betrachten, inwieweit sie für eine Anwendung auf den Umgang mit Wissen geeignet sind. Dazu erfolgt eine Darstellung grundlegender Begriffe, gefolgt von Kriterien, anhand derer die Qualität von Wissensprozessen beurteilt werden kann. Danach werden verschiedene Qualitätsverbesserungsverfahren dargestellt und ihre Eignung zur Anwendung auf Wissensprozesse beurteilt. Abschließend findet sich ein Ausblick darauf, in welchen Gebieten weitere Überlegungen zu diesem Thema angebracht sind. Hingewiesen werden muss auf dem Umstand, dass vorliegende Arbeit aus Platzgründen einige mehr oder minder starke Reduzierungen enthält. Bekannte Qualitätsverbesserungsverfahren wurden in verschiedene Kategorien eingeteilt, aus diesen Kategorien wurden dann exemplarisch einige Verfahren für die nähere Betrachtung ausgewählt. Einen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt der vorliegende Text somit nicht. Auch die Kategorisierung kann nicht als allgemeingültig angesehen werden, da die meisten Qualitätsverbesserungsverfahren starke Unterschiede aufweisen und somit das Einordnen in ein einheitliches Schema erschweren. Dennoch wurden gemeinsame Merkmale identifiziert und zur Bildung von Kategorien verwandt

The effect of sleep deprivation on explicit and implicit memory in depressive patients compared with healthy volunteers

Depressive Störungen gehen einher mit Beeinträchtigungen in kognitiven Funktionen, so etwa in Aufmerksamkeits-, Gedächtnis- und Exekutivfunktionen. Für die Gedächtnisfunktionen ist bekannt, daß das explizite Gedächtnis bei depressiven Störungen defizitär ist, während das implizite Gedächtnis unbetroffen scheint. Es überrascht, daß kognitive Funktionsunterschiede zwischen depressiven Patienten und gesunden Kontrollprobanden gut untersucht ist, jedoch liegen nur wenige Studien vor, die den Einfluß antidepressiver Therapien auf kognitive Defizite evaluierten. Das Hauptziel der vorliegenden Studie bestand darin, die antidepressive Wirkung von Schlafentzug im Hinblick auf explizite und implizite Gedächtnisfunktionen zu untersuchen. Es wurde erwartet, daß Schlafentzug möglicherweise die expliziten Gedächtnisleistungen verbessert. Andererseits scheinen bestimmten Schlafstadien an der Gedächtniskonsolidierung beteiligt zu sein, so daß ein entgegengesetzter Effekt angenommen werden könnte. Ein weiteres Ziel der Studie bestand darin, den Effekt von Schlafentzug zwischen depressiven Patienten und gesunden Probanden zu vergleichen. 17 Patienten mit Majorer Depression (nach DSM-IV) wurden verglichen mit 17 - im Hinblick auf Alter und Geschlecht gematchten - gesunden Probanden. Anschließend durchlief die Gruppe der depressiven Patienten einen Untersuchungszeitraum von drei Wochen, in dessen Verlauf sie verhaltenstherapeutisch behandelt wurden und - nach randomisierter Zuweisung - entweder 6 vollständige Schlafentzüge oder aber Kontrollnächte mit ungestörtem Nachtschlaf vollzogen. Das gleiche Vorgehen wurde für gesunde Probanden umgesetzt, jedoch ohne Behandlung und nur für einen Beobachtungszeitraum von einer Woche. Zwischen den einzelnen Schlafentzugsnächten lagen zumindest zwei Nächte mit ungestörtem Nachtschlaf. Es fanden Messungen des expliziten (Wortlistenlernen) und impliziten (Wiederholungspriming anhand der Lexikalischen Entscheidungsaufgabe) Gedächtnisses jeweils abends vor und morgens nach Schlafentzug bzw. Kontrollnacht statt. Die Morgenerhebung umfaßte darüber hinaus eine Testung derjenigen explizit- und implizit-gelernten Gedächtnisinhalte, die am Abend zuvor gelernt wurden. Maße der Stimmung und der subjektiven Schlafqualität wurden mit verschiedenen Selbst- und Fremdbeurteilungsverfahren erhoben. Die neuropsychologische Eingangsuntersuchung zeigte, daß depressive Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden verminderte Leistungen in Aufmerksamkeits-, (expliziten) Gedächtnis- und Exekutivtests erbringen. Schlafentzug bei depressiven Patienten induzierte einen kurzfristigen und moderaten antidepressiven Effekt, wobei für die Schlafentzugsgruppe keine längerfristige Wirkung nachweisbar war. Obwohl depressive Patienten am Morgen nach Schlafentzug eine verbesserte Stimmung zeigten, so verschlechterte sich - im Vergleich zu Patienten nach ungestörtem Nachtschlaf - ihre explizite Gedächtnisleistung. Schlafentzug produzierte verminderte Priming-Effekte im Verlauf der ersten Therapiewoche, während diese bei Patienten mit ungestörtem Nachtschlaf über den gesamten Behandlungszeitraum stabil blieb. Im Gegensatz zu depressiven Patienten entfaltete Schlafentzug bei gesunden Probanden einen negativen Effekt auf die Stimmung. Darüber hinaus war auch die Gedächtnisleistung gesunder Probanden nach Schlafentzug tendenziell verschlechtert. Der Befund einer verminderten kognitiven Leistungsfähigkeit von depressiven Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden wurde im Zusammenhang möglicher neurobiologischer Mechanismen diskutiert. Mit Blick auf die Gedächtnisfunktionen wurde die hippocampale Formation als bedeutsamer struktureller Komplex für die explizite Gedächtnisbildung herausgestellt und Verbindungen zur Pathophysiologie der Depression aufgezeigt (z.B. der angenommene schädigende Einfuß von Corticosteroiden auf den Hippocampus). Das Hauptergebnis der Untersuchung, daß Schlafentzug - trotz antidepressiver Wirkung bei depressiven Patienten - die Gedächtnisleistung behindert, ist in Übereinstimmung mit der Vorstellung, daß dem Schlaf eine wichtige Bedeutung für Gedächtnisbildung zukommt.Depressive disorders are associated with impairments in cognitive functions, such as deficits in attention, memory and executive functioning. For the area of memory functions, it has been accepted that explicit memory in depression is impaired whereas implicit memory performances appear to be unaffected. It is surprising that extensive research on differences in cognitive functioning between depressive patients and healthy controls have been conducted, whereas only very few studies have examined the effect of antidepressive therapies on cognitive deficits in depressive patients. The primary aim of the following study was to examine the antidepressive effect of sleep deprivation on explicit and implicit memory functions in major depression. It was hypothesized that sleep deprivation improves explicit memory functions. However, growing evidence for the involvement of specific sleep stages in the consolidation of memory suggests a detrimental effect of sleep deprivation. Another purpose of the study was to compare the effect of sleep deprivation between depressive patients and normal control subjects. 17 patients with major depression (DSM IV) were compared with 17 age- and sex-matched controls by use of a neuropsychological battery. Subsequently, the group of depressive patients underwent a period of three weeks, including behavioral therapy and - randomly assigned - either six nights of total sleep deprivation or control nights of undisturbed sleep. The same procedure (without behavioral therapy) was applied for the healthy subjects, but only for an observation period of one week. Sleep deprivation nights were separated by two days with undisturbed night sleep. Assessment of explicit (word-list learning) and implicit (repetition priming by a lexical decision task) memory was conducted in the evening before and in the morning after sleep deprivation or after control night. In addition, the morning measurements included a "delayed" testing of explicit and implicit memory contents, which had been learned the evening before. Mood and subjective sleep quality were assessed by different rating scales. The neuropsychological baseline assessment revealed that major depressed patients - compared to healthy controls - were significantly impaired in tasks of attention, explicit memory and executive functions. Sleep deprivation produced a moderate and short-term antidepressive effect, but there was no long-term benefit of the sleep deprivation group. Although depressive patients exhibited an improvement of mood in the morning after sleep deprivation, their explicit memory performance significantly declined, compared to patients with undisturbed night sleep. Sleep deprivation induced an overnight decrease of repetition priming but only during the first week of treatment, whereas patients with undisturbed night sleep showed stable priming effects over the whole treatment period. In contrast to major depressed patients, healthy controls exhibited an increased negative mood after sleep deprivation. Furthermore, there was a tendency of decreased memory performance after sleep deprivation in healthy controls. The finding of cognitive deficits in depressive patients was discussed in the context of putative neurobiological mechanisms. With focus on memory functions, the hippocampal formation is accepted as a key structure for explicit memory, which seems to be linked to the pathophysiology of depression (e.g. the assumed damaging effects of corticosteroids on the hippocampus). The main result, namely a decreased memory performance after sleep deprivation - in spite of the antidepressive action it has in depressive patients - is in accordance with the hypothesis, that sleep is important for memory mechanisms

Vortices in polariton OPO superfluids

This chapter reviews the occurrence of quantised vortices in polariton fluids, primarily when polaritons are driven in the optical parametric oscillator (OPO) regime. We first review the OPO physics, together with both its analytical and numerical modelling, the latter being necessary for the description of finite size systems. Pattern formation is typical in systems driven away from equilibrium. Similarly, we find that uniform OPO solutions can be unstable to the spontaneous formation of quantised vortices. However, metastable vortices can only be injected externally into an otherwise stable symmetric state, and their persistence is due to the OPO superfluid properties. We discuss how the currents charactering an OPO play a crucial role in the occurrence and dynamics of both metastable and spontaneous vortices.Comment: 40 pages, 16 figure