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Condensats de polaritons et lasers à polaritons dans les microcavités GaN, ZnO
Les condensats de polaritons dans les microcavités sont un système-modèle très riche pour la physique des états collectifs quantiques, inspirés des condensats atomiques. GaN et ZnO sont des matériaux semiconducteurs présentant des excitons forts, en terme de force d’oscillateur et d’énergie de liaison. Ils sont donc particulièrement intéressants pour la génération et le contrôle de condensats de polaritons, que nous étudions à température ambiante [1].
La réalisation de microcavités ZnO planaires de grand facteur de qualité a longtemps constitué un défi important. Nous avons réalisé dès 2011 le premier laser à polaritons ZnO (à T=120K), dans une microcavité hybride [2] (Couche active ZnO, miroirs diélectrique et nitrure sur silicium, Q=450). Dans une approche radicalement différente, nous avons mis en evidence la condensation des polaritons à temperature ambiante dans une microcavité ZnO à miroirs diélectriques [3](Q>2000, pour un dédoublement de Rabi de 250 meV). Nous avons mesuré le diagramme de phase complet du laser à polaritons, et étudié de nouvelles microcavités sur substrat silicium [4].
Plus récemment, nous avons réalisé l’imagerie 2D, en champ proche et en champ lointain, de la propagation balistique du condensate de polaritons, que nous comparons à des simulations numériques de dynamique spatiale du condensat [5] [6] [7].
Nos travaux en cours explorent une nouvelle géométrie : le guide d’onde polaritonique [8]. Ils visent d’une part à obtenir un laser à polaritons fonctionnant sous injection électrique à temperature ambiante, et d’autre part à contrôler la formation de condensats formant des impulsions de solitons optiques.
Projets collaboratifs :
- ITN Clermont4 (Exciton-polaritons : Physics and Applications, 2009-2013) ;
- ANR ZOOM (Zinc oxide optical microcavities, Blanc, 2006-2009)
- ANR Plug and Bose (Diode laser à polaritons à température ambiante injectée électriquement, 2017-2020)
- ANR NEWAVE (2022-2025) (waveguide polariton lasers )
Proposition de stage :
- Stage de master M1 et M2 : Lasers à polaritons de guide d’onde : du pompage optique à l’injetion électrique
[1] Polariton condensates at room temperature
T. Guillet, C. Brimont
Comptes Rendus de l’Académie des Sciences - Physique 17, 946(2016) arxiv:1603.05093
[2] Polariton lasing in a hybrid ZnO bulk microcavity
T. Guillet, M. Mexis, J. Levrat, G. Rossbach, C. Brimont, T. Bretagnon, B. Gil, R. Butté, N. Grandjean, L. Orosz, F. Réveret, J. Leymarie, J. Zúñiga-Pérez, M. Leroux, F. Semond, S. Bouchoule
Appl. Phys. Lett. 99, 161104 (2011)
[3] From Excitonic to Photonic Polariton Condensate in a ZnO-Based Microcavity
Feng Li, L. Orosz, O. Kamoun, S. Bouchoule, C. Brimont, P. Disseix, T. Guillet, X. Lafosse, M.Leroux, J. Leymarie, M. Mexis, M. Mihailovic, G. Patriarche, F. Réveret, D. Solnyshkov, J. Zuniga-Perez, G. Malpuech
Phys. Rev. Lett. 110, 196406 (2013)
[4] Patterned silicon substrates : A common platform for room temperature GaN and ZnO polariton lasers
J. Zuniga-Perez, E. Mallet, R. Hahe, M.J. Rashid, S. Bouchoule, C. Brimont, P. Disseix, J.Y. Duboz, G. Gommé, T. Guillet, O. Jamadi, X. Lafosse, M. Leroux, J. Leymarie, F. Li, F. Réveret, F. Semond
Appl. Phys. Lett. 104, 241113 (2014)
[5] Polariton condensation threshold investigation through the numerical resolution of the generalized Gross-Pitaevskii equation
H. Gargoubi, T. Guillet, S. Jaziri, J. Balti, B. Guizal,
Phys. Rev. E 94, 043310 (2016)
[6] Competition between horizontal and vertical polariton lasing in planar microcavities
O. Jamadi, F. Réveret, D. Solnyshkov, P. Disseix, J. Leymarie, L. Mallet-Dida, C. Brimont, T. Guillet, X. Lafosse, S. Bouchoule, F. Semond, M. Leroux, J. Zuniga-Perez, G. Malpuech
Phys. Rev. B 99, 085304 (2019) arxiv :1810.05508
[7] Interplay between tightly focused excitation and ballistic propagation of polariton condensates in a ZnO microcavity
R. Hahe, C. Brimont, P. Valvin, T. Guillet, F. Li, M. Leroux, J. Zuniga-Perez, X. Lafosse, G. Patriarche, S. Bouchoule
Phys. Rev. B 92, 235308 (2015), arxiv :1510.06716
[8] Edge-emitting polariton laser and amplifier based on a ZnO waveguide
Jamadi, O. et al.,
Light : Science & Applications, 7, 82 (2018)
ZnO Microcavities
Excitons in wide band gap semiconductors, and especially ZnO, present binding energies and oscillator strength one order of magnitude larger than GaAs. Our theoretical predictions in 2002 have (...)
Strong exciton-plasmon coupling
Plasmons are an interesting alternative to cavities in order to confine the electromagnetic field. Their coupling to semiconductor excitons (GaAs quantum wells) is the purpose of the ANR project (...)
Polariton spin dynamics
We were also interested in polaritons spin dynamics in II-VI microcavities with embedded diluted magnetic quantum wells, and III-V microcavities with embedded GaInAs quantum wells, in the (...)
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The originality of our research project concerning this issue relies on our position at interfaces : between microcavities and the subtle spin spectroscopy for GaAs microcavities, between (...)
