Polaritons de Landau et émission cyclotron
L’exploitation de la résonance cyclotron dans les semi-conducteurs ouvre une voie prometteuse vers la réalisation de lasers THz, réglables par champ magnétique ou tension de grille. Ce phénomène repose sur la recombinaison radiative d’électrons hors équilibre entre niveaux de Landau, en présence d’un champ magnétique.
Amplitude d’émission cyclotron issue de fermions de Dirac dans des puits quantiques de HgTe en fonction du champ magnétique pour plusieurs valeurs de l’énergie de détection. L’émission est accordable en fonction du champ magnétique et de la densité de porteurs. Compte tenu de leur nature relativiste, leur masse dépend en effet de leur densité dans le puits. Crédit : Nat. Photon. 17, 244–249 (2023)
Dans les matériaux à dispersion parabolique, les pertes dues aux processus Auger non radiatifs empêchent toute amplification lumineuse. À l’inverse, dans les matériaux de Dirac, la non-parabolicité de la dispersion rend les niveaux de Landau inéquidistants, ce qui supprime partiellement la diffusion Auger et réduit l’absorption — ouvrant ainsi la voie à une émission cohérente [Nat. Photon. 17, 244–249 (2023)].
L’un des objectifs actuels est d’étudier cette émission cyclotron dans divers matériaux de Dirac à bandes électroniques exotiques, notamment les isolants topologiques et les semimétaux de Weyl. Une question centrale porte sur l’effet du fort couplage lumière–matière, capable de donner naissance à de nouvelles excitations hybrides, les polaritons de Landau. L’équipe explore désormais la physique hors équilibre de ces polaritons et la possibilité d’une condensation de Bose–Einstein, qui pourrait aboutir à une émission laser cyclotron issue de ces quasi-particules hybrides.