Etats collectifs dans les semiconducteurs
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Nous explorons une large variété d’états quantiques collectifs, allant des spins nucléaires et électroniques aux excitons indirects et polaritons, et nous étudions leurs dynamiques collectives, leurs corrélations, leurs excitations élémentaires et leurs transitions de phase. Comparés aux particules individuelles qui les composent (spins, excitons, polaritons), ces états collectifs sont influencés par les interactions entre particules, la statistique quantique et/ou les connexions avec un réservoir. Ils peuvent être amenés vers des états d’équilibre exotiques ou des régimes fortement hors d’équilibre. Nous avons développé une grande variété de techniques de spectroscopie non linéaire et d’imagerie hyperspectrale, nous permettant d’accéder à leurs dynamiques spatiales et temporelles.
Ces activités sont financées par :
- IXTASE (ANR project, 2021-2024) : Indirect eXciTons for emerging quAntum StatEs
- DINAMITE (« Quantum Technology in Region Occitanie » project, 2021-2024) : DIpolar excitons hosted by Nitride-bAsed heterostructures for eMergIng quantum staTEs funded PhD student : Rémi Aristégui
- NEWAVE (ANR project, 2022-2025) : New concepts for waveguide micro- and nano-lasers
- Comb-on-GaN (Labex Ganext project, 2020-2024) : Integrated photonics for fluids of light, from visible to near-infrared
Excitons indirects :
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Les excitons indirects dans des puits quantiques couplés sont des quasi-particules à longue durée de vie, étudiées dans le cadre des états quantiques collectifs. À faible densité, la diminution de la température du fluide d’excitons conduit à un condensat de Bose-Einstein (BEC). À des densités plus élevées et à basses températures, une séparation de phase est prédite entre des condensats de type Bose-Einstein et Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). La figure montre le diagramme de phase d’un système électron-trou en fonction de la température et de la densité. Les échelles de gauche et du bas correspondent aux systèmes à base de GaAs, tandis que les échelles de droite et du haut s’appliquent au GaN et au ZnO.
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 termes 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.
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 (Couche active ZnO, miroirs diélectrique et nitrure sur silicium, Q=450). Dans une approche radicalement différente, nous avons mis en évidence la condensation des polaritons à température ambiante dans une microcavité ZnO à miroirs diélectriques (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.
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.
Nos travaux en cours explorent une nouvelle géométrie : le guide d’onde polaritonique. Ils visent d’une part à obtenir un laser à polaritons fonctionnant sous injection électrique à température ambiante, et d’autre part à contrôler la formation de condensats formant des impulsions de solitons optiques.