Dipolaritons in quantum dots

Abstract

Abstract. Dipolaritons are quasiparticles that arise in coupled quantum wells embedded in a microcavity, they are a superposition of a photon, a direct exciton and an indirect exciton. An interesting feature of dipolaritons is that their excitons can carry an electric dipole moment. Previous works have found this kind of system suitable for terahertz lasing (Phys. Rev. A 89, 023836) and Bose-Einstein condensation (Phys. Rev. B 90, 125314). In this thesis we study a system that consists of two interacting quantum dots embedded in a microcavity, from the point of view of dipolaritons in direct analogy with the quantum well case. A constant magnetic field is also taken into account. First, the zero temperature case is studied with an exact diagonalization of a finite system hamiltonian in order to find the effects of the magnetic field on the properties of direct and indirect excitons, including their statistics. Then we include light and investigate the properties of a single dipolariton. Next, a variational approach is used to study the many-body problem and we find the effects of the magnetic field on the ground state energy and number of photons. Finally, we consider the problem at finite temperatures and use a self-consistent procedure in a Hartree-Fock-Bogoliubov approximation to find the effect of the magnetic field on the critical temperature for Bose-Einstein condensation.

Los dipolaritones son cuasipartículas que surgen en pozos cuánticos acoplados embebidos en una microcavidad; son una superposición de un fotón, un excitón directo y un excitón indirecto. Una característica interesante de los dipolaritones es que sus excitones pueden tener un momento de dipolo eléctrico. Trabajos anteriores han encontrado este tipo de sistemas como candidatos para emisión en terahertz (Phys. Rev. A 89, 023836) y condensación de Bose-Einstein (Phys. Rev. B 90, 125314). En esta tesis se estudia un sistema compuesto de dos puntos cuánticos interactuantes embebidos en una microcavidad, desde el punto de vista de los dipolaritones en analogía directa con el caso de pozos cuánticos. Se incluye, además, un campo magnético constante. Primero, el caso a temperatura cero se estudia con la diagonalización exacta de un hamiltoniano de sistemas finitos, con el objetivo de encontrar los efectos del campo magnético en las propiedades de excitones directos e indirectos, incluyendo su estadística. Luego se incluye la luz y se investigan las propiedades individuales de un dipolaritón. Posteriormente, un tratamiento variacional se desarrolla para estudiar el problema de muchos cuerpos y encontrar los efectos del campo magnético en la energía del estado base y el número de fotones. Finalmente, se considera el problema a temperatura finita y se utiliza un procedimiento autoconsistente en la aproximación de Hartree-Fock-Bogoliubov para encontrar el efecto del campo magnético en la temperatura crítica para la condensación de Bose-Einstein.