Optomechanical parametric oscillation of a quantum light-fluid lattice

Two-photon coherent states are one of the main building pillars of nonlinear and quantum optics. They are the basis for the generation of minimum-uncertainty quantum states and entangled photon pairs, applications not obtainable from standard coherent states or one-photon lasers. Here, we describe a fully resonant optomechanical parametric amplifier involving a polariton condensate in a trap lattice quadratically coupled to mechanical modes. The quadratic coupling derives from nonresonant virtual transitions to extended discrete excited states induced by the optomechanical coupling. Nonresonant continuous-wave laser excitation leads to striking experimental consequences, including the emergence of optomechanically induced intersite parametric oscillations and intersite tunneling of polaritons at discrete intertrap detunings corresponding to sums of energies of the two involved mechanical oscillations (20- and 60-GHz confined vibrations). We show that the coherent mechanical oscillations correspond to parametric resonances with a threshold condition different from that of standard linear optomechanical self-oscillation. The associated Arnold tongues display a complex scenario of states within the instability region. The observed phenomena can have applications for the generation of entangled phonon pairs and squeezed mechanical states relevant in sensing and quantum computation and for the bidirectional frequency conversion of signals in a technologically relevant range.Fil: Reynoso, Andres Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Usaj, Gonzalo. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Chafatinos, Dimitri Lisandro. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Mangussi, Franco. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Bruchhausen, Axel Emerico. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Kuznetsov, A. S.. Paul-drude-institut Für Festkörperelektronik; AlemaniaFil: Biermann, K.. Paul-drude-institut Für Festkörperelektronik; AlemaniaFil: Santos, P. V.. Paul-drude-institut Für Festkörperelektronik; AlemaniaFil: Fainstein, Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; Argentin

Estabilización de la frecuencia de un microoscilador no lineal mediante una resonancia interna.

Los osciladores electromecánicos son un componente indispensable en cualquier dispositivo electrónico moderno, que necesite una frecuencia patrón para sincronización o cronometraje y son ampliamente utilizados en la fabricación de sensores. Los osciladores de cristales de cuarzo han sido utilizados clásicamente para este tipo de aplicaciones. Sin embargo, recientemente con el auge en el estudio de sistemas microelectromecánicos (MEMS), el desarrollo de osciladores a escalas micrométricas representa una alternativa potencial para sustituir a las tecnologías a base de cuarzo. La implementación de osciladores y sensores basados en MEMS, no solo permite disminuir enormemente las dimensiones físicas de esta clase de componentes, sino que también presenta la ventaja de que los métodos de microfabricación son compatibles con la tecnología de producción de semiconductores, lo que permite la incorporación de los osciladores y sensores en circuitos integrados directamente en su etapa de fabricación. Desafortunadamente, la aparición de fenómenos no lineales al reducir los mecanismos resonantes a tan pequeña escala, resulta un gran impedimento a la hora de conseguir sistemas con frecuencias de funcionamiento estables, dificultando así la aplicación de MEMS en sensores u osciladores. En este trabajo se presenta un estudio teórico-experimental de la dinámica no lineal que domina el comportamiento de un tipo especial de MEMS, denominado resonador clamped-clamped. En particular se ahondará en el desarrollo de modelos analíticos que permitan describir la interacción entre distintos modos de vibración del resonador mediante una resonancia interna, y que demuestran como la misma puede utilizarse como mecanismo de estabilización de la frecuencia de operación del microoscilador

Dinámica de polaritones en microcavidades ópticas

Los polaritones excitónicos de microcavidad son cuasipart´ıculas h´ıbridas parte luz - parte materia que emergen del acoplamiento fuerte entre excitones de pozos cuánticos y fotones que se encuentran confinados en una microcavidad semiconductora. La componente excitónica de los polaritones dota a los mismos de la capacidad de interactuar. Las no linealidades originadas producto de dicha interacción Coulombiana están ligadas a un gran número de efectos fascinantes, como por ejemplo la capacidad de manipular, direccionar o conmutar flujos de polaritones, biestabilidades, etc. A su vez la parte excitónica hace susceptibles a los polaritones a campos eléctricos y magnéticos. Por otro lado, su componente fotónica les confiere una masa efectiva que puede ser cuatro ordenes de magnitud menor que la del excitón desnudo. Esto ultimo, junto al hecho que los polaritones obedecen una estadística bosónica, les ha dado un especial protagonismo a la hora de estudiar condensados de Bose-Einstein (BEC) fuera de equilibrio, en uno o más estados cuánticos, a temperaturas criogénicas e incluso a temperatura ambiente. Sumado a esto, la posibilidad de analizar los fotones que se escapan de la cavidad permite a su vez una magnífica accesibilidad experimental, pudiendo medir de forma directa la relación de dispersión y la distribución espacial de los polaritones, así como también obtener información sobre la fase relativa entre distintos puntos de la distribución de polaritones mediante experimentos de interferencia. Las técnicas modernas de crecimiento epitaxial permiten actualmente confinar polaritones no solo en cavidades planas, sino también en trampas 1D y 0D, micropilares, microdiscos e incluso redes de diversas geometrías. Esta versatilidad a la hora de diseñar los potenciales de confinamiento posibilita usar los sistemas de polaritones también como plataformas altamente versátiles para emular física de Hamiltonianos 1D Y 2D. Esto permite trasladar al contexto de la fotónica algunas de las propiedades de sistemas electrónicos usuales de materia condensada e incluso diseñar nuevos Hamiltonianos con novedosas propiedades topológicas y de trasporte para los polaritones. Por ultimo, otro de los campos donde los polaritones han tenido una especial relevancia en el ultimo tiempo es el de la optomecánica en microcavidades. Estos sistemas cuánticos híbridos aprovechan el hecho de que las mismas cavidades que soportan fotones (o polaritones) pueden ser diseñadas de tal forma que confinen fonones y que estas vibraciones se acoplen fuertemente a los modos fotónicos y excitónicos presentes en las mismas. En esta tesis abordaremos algunos aspectos de las líneas de investigación en polaritones de microcavidad mencionadas anteriormente, el trabajo puede dividirse en dos partes, en función de la temática y del grupo experimental con el cual se realizaron las colaboraciones. En la primera parte presentaremos una versión modificada de los modelos usuales tipo Gross-Pitaevskii que nos permite describir con mucho detalle una serie de mediciones realizadas en arreglos de microtrampas de diferentes tamaños. En estos experimentos, puede verse como las energías de los niveles polaritónicos confinados experimentan un corrimiento hacia valores mayores, tendiendo a acercarse a las energías de los modos fotónicos puros. A su vez, en algún punto de este corrimiento el sistema experimenta una transición a un estado de emisión coherente. Nuestros resultados sugieren que, para reproducir correctamente esta renormalización de la energía y los potenciales efectivos asociados de los estados poliatómicos en función de la potencia de excitación, es importante incluir en el modelo tanto los efectos de las interacciones entre polaritones como de la saturación del acoplamiento fuerte debida una reducción del desdoblamiento Rabi. Usaremos estos modelos a su vez para describir resultados novedosos sobre la generación de estados coherentes de dos fonones en sistemas de fluidos cuánticos de luz confinados en arreglos de microtrampas. Mostraremos que por encima de la potencia umbral donde el sistema de polaritones transiciona a un estado coherente, aparecen comportamientos físicos muy interesantes cuando la diferencia de energía entre el estado fundamental de la trampa que es directamente bombeada por el láser externo y el de alguna de sus vecinas coincide con la energía combinada de un par de los fonones confinados en la microestructura. En particular describiremos la aparición de una resonancia paramétrica optomecánica, que se ve acompañada de un locking de las energías de los estados fundamentales de la trampa bombeada y vecina y un fortalecimiento del tunneling entre dichos estados fundamentales, mediado por transiciones a través del estado excitado inducidas optomecánicamente. En la segunda parte de la tesis presentamos un modelo tight-binding minimal en la cantidad de parámetros libres, que nos permite describir con gran precisión la estructura de bandas y los estados de borde de redes y cintas de grafeno polaritónico construidas en base a micropilares completamente grabados en la estructura semiconductora. El modelo incluye como elementos fundamentales, la presencia de orbitales tipo s y p no ortogonales. Analizaremos en particular la influencia que tiene la no ortogonalidad, la interacción ´ınter-orbital y el efecto espín-órbita fotónico tanto en la dispersión de bulk como en los estados de borde

Internal Resonance in a Vibrating Beam: A Zoo of Nonlinear Resonance Peaks.

In oscillating mechanical systems, nonlinearity is responsible for the departure from proportionality between the forces that sustain their motion and the resulting vibration amplitude. Such effect may have both beneficial and harmful effects in a broad class of technological applications, ranging from microelectromechanical devices to edifice structures. The dependence of the oscillation frequency on the amplitude, in particular, jeopardizes the use of nonlinear oscillators in the design of time-keeping electronic components. Nonlinearity, however, can itself counteract this adverse response by triggering a resonant interaction between different oscillation modes, which transfers the excess of energy in the main oscillation to higher harmonics, and thus stabilizes its frequency. In this paper, we examine a model for internal resonance in a vibrating elastic beam clamped at its two ends. In this case, nonlinearity occurs in the form of a restoring force proportional to the cube of the oscillation amplitude, which induces resonance between modes whose frequencies are in a ratio close to 1:3. The model is based on a representation of the resonant modes as two Duffing oscillators, coupled through cubic interactions. Our focus is put on illustrating the diversity of behavior that internal resonance brings about in the dynamical response of the system, depending on the detailed form of the coupling forces. The mathematical treatment of the model is developed at several approximation levels. A qualitative comparison of our results with previous experiments and numerical calculations on elastic beams is outlined

Internal resonance with a nonlinear higher harmonic mode: effect of the driving force.

<p>All panels show the zone of the internal resonance gap, with curves for larger force amplitudes plotted with increasingly darker shades of green (see parameters in <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.t003" target="_blank">Table 3</a>). Differences in stability are disregarded. Rows A to D respectively correspond to the coupling forces considered in Figs <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.g002" target="_blank">2A and 2B</a> and <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.g003" target="_blank">3A and 3B</a>.</p

Internal resonance with a linear higher harmonic mode (I).

<p>In this case, the coupling force acting on the main mode oscillator is proportional to the higher mode amplitude and to the square of the main mode amplitude. Rows A and B correspond to opposite signs of this coupling force. Full and dotted (respectively, dark- and light-green) lines correspond to stable and unstable oscillations in the open-loop (respectively, closed-loop) configuration. Arrows in row A mark curve segments referred to in the text. The light-grey curve is the backbone approximation. The corresponding parameters are given in <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.t001" target="_blank">Table 1</a>.</p

Dependence of internal resonance on the amplitude of the driving force.

<p>In all panels, larger force amplitudes are plotted with increasingly darked shades of green (see parameters in <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.t002" target="_blank">Table 2</a>), and differences in stability are disregarded. (A) Effect of increasing the force on the resonance peak in the absence of internal resonance. (B,C,D) Effect on the internal resonance gap for the cases considered in Figs <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.g002" target="_blank">2A</a>, <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.g003" target="_blank">3A and 3B</a>, respectively.</p

Interdependence between amplitude, frequency, and phase in the absence of internal resonance.

<p>Left: Oscillation amplitude vs frequency detuning. Full and dotted lines respectively correspond to stable and unstable oscillations in the open-loop configuration. The light-grey curve stands for the backbone approximation. Right: Frequency detuning vs phase shift. Full and dotted lines correspond to the same stability properties as in the left panel. The units of amplitude and frequency are arbitrary, and the phase shift varies in the interval (0, <i>π</i>). The values of the parameters used to obtain the curves are given in <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.t001" target="_blank">Table 1</a>.</p

Parameters used in Eq (6) to obtain the results plotted in Fig 5.

<p>Parameters used in <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.e017" target="_blank">Eq (6)</a> to obtain the results plotted in <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0162365#pone.0162365.g005" target="_blank">Fig 5</a>.</p

Multi-orbital tight binding model for cavity-polariton lattices

In this work we present a tight-binding model that allows to describe with a minimal amount of parameters the band structure of exciton-polariton lattices. This model based on s and p non-orthogonal photonic orbitals faithfully reproduces experimental results reported for polariton graphene ribbons. We analyze in particular the influence of the non-orthogonality, the inter-orbitals interaction and the photonic spin-orbit coupling on the polarization and dispersion of bulk bands and edge states.Fil: Mangussi, Franco. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Milicevic, Marijana. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Sagnes, Isabelle. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Le Gratiet, Luc. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Harouri, Abdelmounaim. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Lemaitre, Aristide. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Bloch, Jacqueline. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Amo, Alberto. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Usaj, Gonzalo. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentin