Polaritons de Landau térahertz dans le graphène exfolié

Giacomo Scalari

Institute for Quantum Electronics, Department of Physics, ETH Zürich

L’interaction entre la lumière et la matière est au cœur de nombreux phénomènes physiques fondamentaux et constitue une étape clé pour d’innombrables applications technologiques. Un régime particulièrement intéressant est celui du couplage fort et ultra-fort lumière–matière qui se produit dans les cavités optiques, où de nouvelles quasi-particules appelées polaritons de cavité émergent. De nouveaux phénomènes intrigants d’optique quantique ont été prédits dans le régime de couplage ultra-fort, lorsque la force de couplage devient comparable à la fréquence non perturbée du système [1].

Le couplage fort lumière–matière a récemment été exploré avec succès dans les gammes GHz et THz grâce à des plateformes intégrées, où des résonateurs métalliques présentant de petits volumes de cavité sont combinés à des matériaux à forte densité électronique afin de tirer parti de l’amplification collective du couplage [2–4]. Notre laboratoire a développé une nouvelle plateforme permettant d’étudier le couplage ultra-fort lumière–matière en utilisant les transitions inter-niveaux de Landau dans des gaz d’électrons bidimensionnels au sein d’hétérostructures semiconductrices, fortement couplés à des résonateurs métalliques en anneau fendu — les polaritons de Landau [2, 4].

Dans cette présentation, nous passerons en revue l’état de l’art des polaritons de Landau et nous discuterons de résultats expérimentaux récents où un unique résonateur fortement sub-longueur d’onde est couplé à un feuillet de graphène micrométrique muni d’une grille (gate), puis étudié spectroscopiquement à l’aide d’un système de lentilles d’immersion [5]. L’échantillon possède une électrode de grille permettant de moduler la densité électronique et, par conséquent, la force de couplage. Nous observons un couplage ultra-fort clair, réglable en intensité, ainsi qu’un anticroisement en champ magnétique en fonction de la densité électronique.

Ces mesures ouvrent la voie à l’ingénierie de phénomènes à plusieurs corps et à l’étude de la nature fondamentale des interactions lumière–matière dans les matériaux quantiques.

[1] C. Ciuti, G. Bastard, and I. Carusotto, Phys. Rev. B, 72, 11, 115303 (2005).
[2] G. Scalari et al., Science, 335, 6074, 1323 (2012).
[3] Y. Todorov et al., Phys. Rev. Lett., 105, 19, 196402 (2010).
[4] A. Bayer et al., Nano Lett., 17, 10, 6340 (2017).
[5] S. Rajabali et al., Nat. Commun., 13, 1, 2528 (2022).