Interactions dans les polaritons excitoniques : des polarons aux matériaux 2D et aux réseaux en nid d'abeille

Interactions in exciton polaritons : from polarons to 2D materials and honeycomb lattices

• Auteur / Autrice : Amit Vashisht
• Direction : Anna Minguzzi, Maxime Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 03/05/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et modélisation des milieux condensés (Grenoble ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Julia Meyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alberto Amo Garcia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cristiano Ciuti, Michiel Wouters

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Mots clés libres

Exciton Polaritons

Gaz quantiques

Systèmes dissipatifs pilotés

Quantum Fluids

Exciton Polaritons

Driven Dissipative Systems

Résumé

Dans cette thèse, nous avons étudié théoriquement l'effet des interactions de particules dans trois cas différents d'un système de polaritons d'excitons de microcavité entraîné par résonance.Première, nous avons étudié le mouvement d'une impureté interagissant avec un bain de polaritons ou le problème du polaron de Bose dans un contexte de non-équilibre. Nous avons considéré que l'impureté était noyée dans un fluide quantique de lumière réalisé par des polaritons d'excitons de microcavité dans une microcavité, soumis à un entraînement cohérent et à une dissipation en raison des pertes de pompe et de cavité. Nous obtenons la masse effective du polaron, la force de traînée agissant sur l'impureté, et déterminons les trajectoires du polaron à un niveau semi-classique. Nous trouvons différents régimes dynamiques, provenant des caractéristiques uniques du spectre d'excitation des fluides à polaritons entraînés-dissipatifs, en particulier un régime non trivial d'accélération contre l'écoulement. Notre travail promeut l'étude de la dynamique des impuretés comme banc d'essai alternatif pour sonder la superfluidité dans les fluides quantiques de lumière.Deuxièmement, nous avons examiné les interactions excitoniques dans une monocouche de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC). Dans ces couches d'épaisseur à l'échelle atomique, le potentiel d'interaction électron-trou de Coulomb est fortement influencé par la forte discontinuité de la fonction diélectrique à travers le plan de la couche. Cette caractéristique se traduit par des états d'excitons non hydrogéniques particuliers, dans lesquels les non-linéarités optiques médiées par les excitons sont censées être améliorées par rapport à leur homologue hydrogène. Pour démontrer cette amélioration, nous avons analysé quantitativement les résultats d'une expérience de spectroscopie de transmission optique d'une monocouche - MoSe2 - placée dans le régime de couplage fort avec le mode d'une microcavité optique avec notre théorie d'entrée-sortie non linéaire. Nous trouvons une amélioration à la fois de l'interaction exciton-exciton et de la saturation fermionique excitonique par rapport aux valeurs réalistes attendues dans l'image hydrogénique. De tels résultats démontrent que les excitons non conventionnels dans MoSe2 sont très favorables à la mise en œuvre de grandes non-linéarités optiques médiées par les excitons, fonctionnant potentiellement jusqu'à la température ambiante.Troisièmement, nous avons étudié l'effet des interactions polariton-polariton sur la relation de dispersion du graphène polaritonique qui est un réseau artificiel en nid d'abeille gravé sur un semi-conducteur et placé à l'intérieur d'une microcavité. Analyse des excitations élémentaires du condensat à l'aide de la théorie de Bogoliubov pour des polaritons entraînés par résonance sur un réseau et comparaison avec les observations expérimentales.

In this thesis we studied theoretically the effect of particle interactions in three different cases of a resonantly driven microcavity exciton polariton system.First, we studied the motion of an impurity interacting with a bath of polaritons or the Bose polaron problem in a nonequilibrium setting. We considered the impurity to be embedded in a quantum fluid of light realised by microcavity exciton-polaritons in a microcavity, subject to a coherent drive and dissipation on account of pump and cavity losses. We obtain the polaron effective mass, the drag force acting on the impurity, and determine polaron trajectories at a semiclassical level. We find different dynamical regimes, originating from the unique features of the excitation spectrum of driven-dissipative polariton fluids, in particular a non-trivial regime of acceleration against the flow. Our work promotes the study of impurity dynamics as an alternative testbed for probing superfluidity in quantum fluids of light.Second, we looked at the excitonic interactions in a monolayer of transition metal dichalcogenides (TMDC). In these layers of atomic scale thickness, the electron-hole Coulomb interaction potential is strongly influenced by the sharp discontinuity of the dielectric function across the layer plane. This feature results in peculiar non-hydrogenic exciton states, in which exciton-mediated optical nonlinearities are predicted to be enhanced as compared to their hydrogenic counterpart. To demonstrate this enhancement, we analysed the results of an optical transmission spectroscopyexperiment of a monolayer - MoSe2 - placed in the strong coupling regime with the mode of an optical microcavity quantitatively with our nonlinear input-output theory. We find an enhancement of both the exciton-exciton interaction and of the excitonic fermionic saturation with respect to realistic values expected in the hydrogenic picture. Such results demonstrate that unconventional excitons in MoSe2 are highly favourable for the implementation of large exciton-mediated optical nonlinearities, potentially working up to room temperature.Third, we studied the effect of polariton-polariton interactions on the dispersion relation of polaritonic graphene which is an artificial honeycomb lattice etched on a semiconductor and placed inside a microcavity. We analysed the condensate elementary excitations using the Bogoliubov theory for resonantly driven polaritons on a lattice and compared with the experimental observations.