Exaltation multicorps du couplage lumière-matière

Collective enhancement of the light-matter interaction

• Auteur / Autrice : Aymeric Delteil
• Direction : Angela Vasanelli, Carlo Sirtori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : [Matière condensée et interfaces]
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière

Optoélectronique

Polaritons

Puits quantiques

Résumé

Ces travaux portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de dispositifs à base de puits quantiques semiconducteurs dans les régimes de couplage fort et ultra-fort entre un mode de cavité et une excitation inter-sous-bande (ISB), qui donnent lieu à des états mixtes appelés polaritons ISB. Dans la première partie, nous présentons un dispositif électroluminescent permettant de peupler la branche polaritonique supérieure à une énergie accordable en tension. Nous mettons en évidence la relaxation des polaritons vers la branche inférieure par émission d'un phonon optique. Ce processus efficace permet d'atteindre un facteur d'occupation de la branche inférieure de l'ordre de 15%, et pourrait aboutir à l'émission stimulée de polaritons. La deuxième partie présente une investigation théorique et expérimentale des interactions coulombiennes entre les plasmons ISB de puits quantiques très dopés, avec plusieurs sous-bandes occupées. Pour des densités élevées, les forces d'oscillateur sont redistribuées en faveur de l'excitation de plus haute énergie. En vertu de ce phénomène, la réponse optique d'un puits quantique ayant au moins trois sous-bandes occupées exhibe une unique résonance étroite, qui correspond à une excitation collective associant en phase toutes les transitions ISB, observée en absorption et en électroluminescence. En l'insérant dans une microcavité, on atteint le régime de couplage ultra-fort, et l'énergie de Rabi croît de façon monotone avec la densité d'électrons. Nos travaux montrent que l'interaction lumière-matière dans les puits quantiques dopés est un processus purement collectif régi par les phénomènes de cohérence induite par la charge.

This work focuses on the design, the realization and the characterization of de vices based on semiconductor quantum wells (QWs) and operating in the strong or ultra-strong coupling regime between an intersubband (ISB) excitation and a microcavity mode. The mixed states issued from this coupling are the so-called ISB polaritons. In the first part, we demonstrate an electroluminescent device working in the strong coupling regime, in which the upper polariton branch is populated at a voltage dependent energy. Furthermore, we observe a relaxation from the upper to the lower branch by means of the emission of an optical phonon. Thanks to this efficient process, the occupancy of the lower branch reaches about 15 % and could lead to stimulated emission of polaritons. The second part is devoted to the study of Coulomb interaction between the ISB plasmons of highly doped QWs, with several occupied subbands. For sufficiently high densities the oscillator strength is redistributed into thé high energy peak. Owing to to this phenomenon, the optical response of a quantum well with at least three occupied subbands presents a single sharp resonance that corresponds to a collective excitation associating in phase all the ISB transitions. It is observed both in absorption and electroluminescence measurements. The ultra-strong coupling regime is demonstrated by inserting the QW in both a planar and a metal-dielectric-metal microcavity. We demonstrate that the Rabi energy increases monotonically with the electronic density in the well. This work shows that the light-matter interaction in highly doped QWs has to be considered as a purely collective process driven by charge induced coherence.