Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS/UM2 (L2C)

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Condensats de polaritons dans les guides polaritoniques : des fluides quantiques de lumière pour la photonique intégrée

par Christelle EVE - publié le

L’interaction entre les excitations électroniques (excitons) et les photons est fortement améliorée dans les microcavités optiques, par rapport à un matériau massif. Quand elle est assez importante, le régime de couplage fort peut être atteint, régime où la théorie des perturbations ne convient plus pour comprendre l’interaction lumière-matière. Il en résulte de nouveaux états propres appelés polaritons, qui sont des quasi-particules mi-exciton/mi-photon. Ils peuvent être générés, transportés, accumulés en phases quantiques denses et mis en interactions fortes. La découverte de la condensation Bose des polaritons en 2006 [1] (à basse température dans une microcavité GaAs) a suscité de nombreux projets de recherche intéressants et conduit à la découverte de la superfluidité des condensats de polaritons, l’observation de vortex dans ces « fluides quantiques de lumière » et le développement de dispositifs polaritoniques.

Les microcavités basées sur GaN et ZnO ont suscité un grand intérêt dans la communauté grâce à la robustesse de leurs excitons et à leur grande force d’oscillateur. En effet avec ces matériaux, les condensats de polaritons peuvent être mis en évidence à température ambiante, ce qui constitue un avantage indéniable par rapport aux dispositifs GaAs fonctionnant à des températures cryogéniques. Avec nos collègues des laboratoires CRHEA, C2N et IP, notre groupe a démontré en 2013 la condensation de polaritons dans une microcavité ZnO à 300K [2] et a étudié la propagation spatiale des condensats dans une cavité 2D standard [3].
La présente thèse porte sur un nouveau type de dispositif polaritonique : le guide d’onde polaritonique, c’est-à-dire un guide d’ondes optique dans lequel les photons et les excitons se propageant se trouvent dans le régime de couplage fort. Les polaritons de guides d’ondes ont des durées de vie beaucoup plus longues que les polaritons de cavités en raison des faibles pertes des guides d’ondes, et leur étude dans GaAs est relativement récente [4]. Des échantillons dédiés du CRHEA et du C2N basés sur ZnO et GaN montrent que le laser à polaritons peut être obtenu dans cette nouvelle géométrie, avec la formation d’un nouveau type de condensats de polaritons. Nous envisageons d’étudier la formation non linéaire de condensats de polaritons, associés à des phases de solitons, dans les guides d’ondes polaritoniques, une physique inspirée de la communauté de la physique atomique, à la frontière entre l’optique non-linéaire, l’optique quantique et la physique des condensats.

Encadrant :
Thierry Guillet
Christelle Brimont


AIGLe

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