L2C

Etats collectifs dans les semiconducteurs

Nous explorons une large gamme d’états quantiques collectifs, des spins nucléaires et électroniques aux excitons indirects et aux polaritons, en étudiant leurs dynamiques, corrélations, excitations élémentaires et transitions de phase.

Contrairement aux particules individuelles qui les composent, ces états collectifs sont profondément influencés par les interactions entre particules, la statistique quantique et leur connexion avec un réservoir, pouvant donner lieu à des états d’équilibre exotiques ou à des régimes fortement hors d’équilibre.

Pour les analyser, nous avons développé un large éventail de techniques de spectroscopie non linéaire et d’imagerie hyperspectrale, qui nous permettent de suivre leurs dynamiques à la fois spatiales et temporelles.

Ce thème s’articule autour de deux axes :

  • Les excitons indirects
  • Les Condensats de polaritons et lasers à polaritons dans les guides d’ondes et microcavités GaN, ZnO

Excitons indirects :

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.

Références :

Thèses :

Condensats de polaritons et lasers à polaritons dans les guides d’onde et microcavités GaN et ZnO :

Les condensats de polaritons dans les microcavités offrent un terrain idéal pour explorer la physique des états collectifs quantiques. Les semiconducteurs GaN et ZnO, grâce à leurs excitons fortement liés, permettent de générer et de contrôler ces condensats à température ambiante.

Depuis 2011, nous avons démontré le premier laser à polaritons ZnO, puis la condensation de polaritons à température ambiante dans des microcavités à miroirs diélectriques. Nous avons également mesuré le diagramme de phase complet de ces lasers.

Nos travaux incluent l’imagerie 2D du condensat en champ proche et lointain, ainsi que la comparaison avec des simulations numériques de sa dynamique spatiale.

Aujourd’hui, nous explorons de nouvelles géométries de guides d’onde polaritoniques (représenté sur la figure ci-contre), visant à créer un laser à polaritons fonctionnant sous injection électrique et à contrôler la formation de solitons optiques.

Nous avons déjà démontré, dans cette géométrie, le fonctionnement d’un laser en régime continu à 70 K, avec un gain élevé dans des cavités très courtes et une longueur de pompage optique minimale. De 150 K à 300K, nous avons observé un régime impulsionnel à blocage de modes, lié à la formation de solitons de cavité.

Des mesures préliminaires d’injection électrique dans des guides d’onde dopés sont également en cours grâce à un nouveau dispositif d’électroluminescence couplé à la spectroscopie optique.

Références :

Thèses récentes :

Nos projets financés sur ce thème :

  • ANR IXTASE
  • Projet Région DINAMITE (« Quantum Technology in Region Occitanie » project, 2021-2024) : DIpolar excitons hosted by Nitride-bAsed heterostructures for eMergIng quantum staTEs; Thèse de Rémi Aristégui