פולריטון

פולריטונים הם קוואזי-חלקיקים המשלבים תכונות של אור וחומר.

באופן קלאסי ניתן לתארם כצימוד חזק בין גלים אלקטרומגנטיים לבין דיפול חשמלי או מגנטי שבמקורו בחומר. באופן קוונטי ניתן לתארם כצימוד חזק בין פוטונים לבין קוואזי-חלקיקים אחרים כדוגמת פונונים, אקסיטונים ופלזמונים.

מחקר הפולריטונים הוא חלק חשוב בפיזיקה של חומר מעובה ובכימיה פיזיקלית. באופן כללי, הפולריטונים מסבירים היטב תופעות אופטיות וכימיות בחומרים שונים.

בדומה לאפקט זימן, הפולריטונים הם דוגמה טובה לפיצול רמות אנרגיה של אטומים או מולקולות כתוצאה מצימוד לשדה אלקטרומגנטי בעוד שבאפקט זימן הצימוד מתבצע לשדה מגנטי.

יחס נפיצה (באנגלית:דיספרסיה) של פולריטון בGaP. קווי המגמה האדומים מתארים את הפנונים והפוטונים הלא מצומדים בעוד הקווים השחורים מתארים את הפולריטונים שנוצרים כתוצאה מצימוד בין הפונונים לפוטונים.

סוגים

כאמור, פולריטון הוא תוצאה של צימוד בין פוטון לבין אקזיטציות שונות בחומר. ישנם סוגים שונים של פולריטונים הנבדלים זה מזה בסוג האקזיטציה.

• פונון-פולריטון נוצר מצימוד בין פוטון בתחום האינפרא אדום לבין פונון אופטי.
• אקסיטון-פולריטון נוצר מצימוד בין פוטון באור נראה לבין זוג אלקטרון חור בחומר (אקסיטון).
• פלסמון פולריטון נוצר מצימוד חזק בין פוטון לבין פלסמונים משטחיים, אורך הגל של הפוטון נקבע בדרך לפי סוג החומר והמבנה שלו.
• פולריטון בראג (בראגיטונים) נובעים מצימוד בין אקסיטונים למודים פוטוניים של בראג בקריסטלים.

עקרונות

במערכת פיזיקלית שלא ניתן לתאר את התנהגותה באמצעות מודל של פוטונים חופשיים בחומר מודל הפולריטונים הוא הכרחי. תרומה חשובה של פולריטונים היא תיאור מדויק של תלות מהירות האור בחומר כתלות בתדירות.

הפולריטון הוא קוואזי-חלקיק בוזוני ויש להבדילו מהפולארון, קוואזי-חלקיק פרמיוני.

הפולריטונים נובאו תחילה באופן תאורטי על ידי הפיזיקאי האוקראיני קיריל בוריסוביץ׳ (באנגלית: Kirill Borisovich Tolpygo) ותוארו כחלקיקי אור שמצומדים לאקסיטונים.

שימושים

אחד היישומים של פיזיקת פולריטונים הוא לייזר פולריטונים. לייזר פולריטונים הוא התקן המנצל את התכונות של עיבוי בוז-איינשטיין של אקסיטון-פולריטונים במוליכים למחצה על מנת ליצור לייזר בעל סף לזירה נמוך במיוחד.

מבנים פלסמון-פולריטוניים מאפשרים לשלוט על אור בטווח נמוך בהרבה יותר מאורך הגל שלו. תכונות אלו מיושמות בפיתוח של מוליכי גלים, התקנים פוטוניים לאחסון מידע, תאים סולאריים וסוגים שונים של גלאים.

שימוש במבנים פלסמון-פולריטונים לצורכי שליטה באור בטווח נמוך ביחס לאורך הגל שלו פותח דלתות גם בתחום מיקרוסקופיה וליתוגרפיה מעבר לגבול הדיפרקציה (עקיפה) והוא גם מאפשר למדוד את התנע של הפוטון בתווך דיאלקטרי.

מקורות

• Fano, U. (1956). "Atomic Theory of Electromagnetic Interactions in Dense Materials". Physical Review. 103 (5): 1202–1218. Bibcode:1956PhRv..103.1202F. doi:10.1103/PhysRev.103.1202.
• Hopfield, J. J. (1958). "Theory of the Contribution of Excitons to the Complex Dielectric Constant of Crystals". Physical Review. 112 (5): 1555–1567. Bibcode:1958PhRv..112.1555H. doi:10.1103/PhysRev.112.1555.
• Otto, A. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection. Z. Phys. 216, 398–410 (1968)
• J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 113001 (19pp)