Logo ifraf


Claude Cohen Tannoudji

Prix Nobel en 1997 pour le ralentissement et le piégeage des atomes par la lumière laser.

Ses travaux sont à la source des recherches actuelles de l'IFRAF.



Partenaires

ENS
P6
P13
P11
IO
Observatoire
CNRS

Rechercher

Sur ce site

Visiteurs connectés : 22


Accueil du site > Equipes de recherche > Équipes IFRAF > Laboratoire Kastler Brossel > Optique quantique dans les milieux semiconducteurs

Optique quantique dans les milieux semiconducteurs

Responsable : Alberto Bramati

Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des nanosciences :

Superfluidité de polaritons

La superfluidité, c’est-à-dire la propriété d’un fluide quantique de s’écouler sans friction, est l’un des phénomènes les plus spectaculaires qui peuvent être observés dans des gaz dégénérés de bosons. Depuis sa découverte en 1938 dans l’Hélium liquide, la superfluidité a été mise en évidence dans des systèmes très différents et le lien subtil entre superfluidité et condensation de Bose-Einstein a été exploré dans les expériences récentes avec les gaz d’atomes ultrafroids.

Dans le domaine de la matière condensée, les bosons bi-dimensionnels en faible interaction que sont les polaritons dans les microcavités semiconductrices constituent un nouveau type de fluide quantique avec des propriétés spécifiques provenant de leur nature intrinsèquement hors équilibre. Les polaritons sont en effet des superpositions d’excitons (états liés electron-trou) et de photons dans une microcavité en couplage fort et sont créés par une excitation laser. Après l’observation de la condensation de Bose-Einstein de polaritons dans de tels systèmes par plusieurs groupes dans le monde, un des défis pour les expérimentateurs était de mettre en évidence les propriétés de superfluidité du fluide de polaritons.

Très récemment l’équipe « Optique Quantique » du laboratoire Kastler Brossel, en collaboration avec des théoriciens du laboratoire MPQ-Paris7 et de l’Université de Trento, a observé la propagation superfluide d’un fluide polaritonique créé par excitation laser dans une microcavité semiconductrice. La superfluidité est démontrée sur la base du critère de Landau et se manifeste par la suppression totale de la diffusion élastique sur les défauts de la structure lorsque la vitesse d’écoulement du fluide polaritonique est inférieure à la vitesse du son dans le fluide. De plus, si la vitesse d’écoulement est supérieure à la vitesse du son, le régime superfluide n’est plus accessible et on observe l’effet Cerenkov, avec l’apparition des fronts d’onde linéaires caractéristiques lorsque le fluide polaritonique rencontre un défaut.

Les résultats expérimentaux sont en excellent accord quantitatif avec les prédictions basées sur une théorie de Gross-Pitaevskii généralisée. Les polaritons de microcavité pourraient ainsi constituer un nouveau système très flexible pour explorer la physique des fluides quantiques hors équilibre.

Figure :

  • a-I, a-II, a-II- Régime superfluide Les figures montrent l’émission de la microcavité dans l’espace réel en fonction de la puissance d’excitation lorsque les polaritons interagissent avec un défaut. A faible puissance, en régime linéaire, le fluide polaritonique est diffusé par le défaut, donnant lieu aux fronts d’ondes paraboliques visibles en (a-I). A plus forte puissance, l’émission est fortement modifié par les interactions polariton-polariton (a-II) jusqu’à atteindre (a-III) le régime superfluide où toute diffusion sur le défaut est supprimé et l’absence de franges d’interférence est observée.
  • b-I, b-II, b-III- Régime Čerenkov Les figures montrent l’émission de la microcavité dans l’espace réel en fonction de la puissance d’excitation lorsque les polaritons interagissent avec un défaut. Dans ce cas-ci, le fluide de polaritons a été préparé avec un vitesse notablement supérieure aux condition de la figure a. A faible puissance, en régime linéaire, le fluide polaritonique est diffusé par le défaut, donnant lieu aux fronts d’ondes paraboliques visible en (b-I). A plus forte puissance, les interactions polariton-polariton amènent le système dans le régime Čerenkov dans lequel la vitesse du fluide polaritonique est supérieure à la vitesse du son dans le milieu. Les fronts d’ondes linéaires caractéristiques de ce régime sont clairement visibles en (b-II) et (b-III).

Solitons sombres dans un superfluide polaritonique

Les polaritons, états mixtes lumière-matière, issus du couplage fort entre excitons et photons dans une microcavité semiconductrice, sont des bosons composites bidimensionnels en interaction qui peuvent manifester des effets de cohérence macroscopique à des températures élevées (5-300K), grâce à leur masse très faible (10-5 la masse de l’électron).

Depuis la première observation de la condensation de Bose Einstein d’un gaz de polaritons en 2006, plusieurs expériences sont venues dévoiler les propriétés de ce nouveau type de fluide quantique. En dépit des nombreuses analogies avec les condensats atomiques, les polaritons se comportent comme un fluide quantique aux propriétés spécifiques liées à leur nature hors-équilibre, déterminée par leur durée de vie très réduite (quelques picosecondes).

L’équipe « Optique Quantique dans les semiconducteurs » du laboratoire, en collaboration avec les équipes théoriques de MPQ et de l’Université de Trento et l’Istituto di nanoscienze du CNR de Lecce, a observé la formation de vortex et solitons sombres hydrodynamiques dans l’écoulement d’un superfluide polaritonique conte un obstacle de taille supérieure à la longueur de cicatrisation du superfluide. Les solitons sombres, prévus aussi pour les BEC atomiques, ont pu être observés dans le superfluides polaritoniques grâce à l’amortissement des instabilités induit par la dissipation présente dans ce système.

Ces résultats confirment le grand potentiel des polaritons de microcavité pour l’étude des propriétés des fluides quantiques, de la superfluidité à la turbulence quantique.

Figure :
Formation d’une paire de solitons sombres dans un fluide quantique de polaritons qui rencontre un obstacle dans son chemin.

Photons Uniques polarisés

Le développement de sources de photons uniques polarisés est un enjeu important dans le domaine de l’information quantique, en particulier pour les applications de cryptographie quantique où de nombreux protocoles utilisent un codage en polarisation.

Parmi les sources de photons uniques les nanocristaux colloïdaux synthétisés par voie chimique sont des émetteurs très intéressants notamment pour leur fonctionnement à température ambiante. Cependant les nanocristaux plus communs, de forme sphérique, présentent une structure de double dipôle dégénéré et par conséquent la polarisation des photons qu’ils émettent n’est pas bien définie.

En étudiant un nouveau type de nanocristaux allongés, en forme de bâtonnets (nanorods), synthétisés au laboratoire de nanotechnologie de Lecce en Italie, l’équipe « Optique Quantique dans les semiconducteurs » du laboratoire Kastler Brossel a récemment démontré que ces nanostructures possèdent un dipôle linéaire et émettent des photons avec un taux de polarisation linéaire supérieur à 80%. Ces résultats font des nanorods des sources très prometteuses pour la mise en œuvre des protocoles de cryptographie quantique. Figure :
Tirée de la couverture de Applied Physics Letters (Vol.96, Issue 3, 2010).

  • En haut à droite : courbe de dégroupement de photons, démontrant l’émission des photons uniques.
  • En haut à gauche : diagramme de l’émission, typique d’un dipôle linéaire. Fond : image au microscope électronique des nanorods.
  • En premier plan : vue d’artiste d’un nanorod avec son diagramme d’émission.

Autre membre permanent : Elisabeth Giacobino


Voir en ligne : http://www.spectro.jussieu.fr/-Opti...