Fluides quantiques de lumières dans des microcavités à semiconducteurs

par Valentin Goblot

Projet de thèse en Optique et photonique

Sous la direction de Jacqueline Bloch.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , GOSS (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Les microcavités à semiconducteurs apparaissent aujourd'hui comme une véritable plateforme pour l'étude des fluides quantiques en interactions, réaliser des expériences d'émulation quantique et implémenter des systèmes analogues. Dans ces cavités, la lumière et les excitations électroniques sont confinées dans de très petits volumes. Le couplage entre la lumière et la matière est rendu si fort que les propriétés optiques sont gouvernées par des quasi-particules hybrides lumière-matière appelées polaritons de cavité. Ces quasi-particules se propagent comme des photons, mais interagissent avec leur environnement via leur partie matière. Elles peuvent occuper massivement un même état quantique et former un condensat de Bose qui se comporte comme une onde macroscopique cohérente et non-linéaire. La thèse que nous proposons concerne l'étude expérimentale des fluides quantiques de polaritons. Le premier volet est centré sur les propriétés fondamentales des condensats de polaritons. En utilisant les nanotechnologies disponibles au LPN, nous pouvons faire une ingénierie complète du potentiel dans lesquels nous générons ces condensats de polaritons et implémenter des géométries complexes. Des prédictions théoriques montrent que la dimensionnalité, la dissipation et le caractère hors équilibre de notre système, influencent fortement la portée spatiale de la cohérence qui s'établit spontanément dans ces condensats [1]. Nous étudierons la cohérence spatiale dans des systèmes 2D, 1D et dans des géométries fractales, qui présentent des dimensionnalités effectives fractionnaires [2]. Dans le deuxième volet de la thèse, nous mettrons à profit l'ingénierie du potentiel pour réaliser des configurations qui permettent d'explorer la physique de Hawking avec des fluides 1D de polaritons. Dans des travaux pionniers, Unruh en effet a montré en 1981 qu'il existe une analogie formelle entre les équations qui décrivent les effets gravitationnels au voisinage d'un trou noir et l'écoulement de certains fluides. En particulier, il devient envisageable d'explorer la physique des trous noirs en laboratoire. Nous avons récemment utilisé un superfluide de polaritons qui s'écoule vers un défaut façonné artificiellement pour réaliser l'analogue acoustique d'un trou noir [3]. L'étape suivante est maintenant de détecter l'analogue du rayonnement de Hawking, prédit pour les trous noirs cosmologiques mais jamais détecté car noyé dans le fond cosmologique. Des études théoriques récentes indiquent que les polaritons seraient un système de choix pour réaliser cette expérience. La signature de ce rayonnement s'exprime dans des corrélations spatiales de l'émission de part et d'autre du défaut artificiel qui joue le rôle de l'horizon des événements. L'objectif de la thèse sera de mettre en évidence l'émission de Hawking stimulée, puis de progresser vers la mesure du rayonnement de Hawking spontanée. Ces travaux seront menés en étroite collaboration avec des équipes de théoriciens et en particulier l'équipe de Iacopo Carusotto de l'Université de Trento en Italie Références : [1] E. Wertz et al, Nature Phys. 6, 860 (2010) [2] D. Tanese, et al., Phys. Rev. Lett. 112, 146404 (2014) [3] W. G. Unruh, Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981) [4] H.S. Nguyen et al., Phys. Rev. Lett. 114, 036402 (2015)

  • Titre traduit

    Quantum fluids of light in semiconductor microcavities


  • Résumé

    Semiconductor microcavities appear today as a powerful platform for the investigation of interacting quantum fluids, for quantum emulation of complex system and for the realization of analogous systems. In these cavities, light and electronic excitations are confined in very small volumes. The light matter coupling is therefore so strong that the optical properties of the system are governed by hybrid light-matter quasi-particles, named cavity polaritons. These quasi-particles propagate like photons, but interact with their environment via their matter part. They can massively occupy a single quantum state and form a condensate which behaves as a macroscopic coherent non-linear wave. The subject of the PhD work we propose concern the experimental study of quantum fluids of polaritons. The first part is centered on the fundamental physical properties of polariton condensates. Using nanotechnology tools available at LPN, we can fully engineer the potential in which we generate polaritons and implement complex geometries. Theoretical predictions show that dimensionality, dissipation and the out of equilibrium character of our system strongly influence the extent of the spatial coherence that builds up spontaneously in a polariton condensate [1]. We will study spatial coherence in 2D and 1D cavities and in fractal geometries which presents fractional effective dimensions [2]. In the second part, we will take benefit of the potential engineering to realize configurations which allow exploring Hawking physics with 1D polariton fluids. Indeed, in his pioneering work, Unruh showed the existence of a formal analogy between the equations describing gravitational effects in the vicinity of a black hole, and those describing the flow of certain fluids [3]. In particular, it appears feasible to explore the physics of black holes in the laboratory. Our group has recently used a polaritonic superfluid flowing across an artificial defect to realize the acoustic analogous of a black hole [4]. The next step is now to detect the analogous of the Hawking radiation, predicted for cosmological black holes but never detected, in particular because it is hidden in the cosmological back-ground. Recent theoretical studies indicate that polaritons may be one of the best systems to realize this experiment. A signature of this radiation would be spatial correlation between photons emitted from each side of the artificial defect, which plays the role of the event horizon. The objective of the work will be to first evidence stimulated Hawking radiation and then progress toward the measurement of the spontaneous Hawking radiation. This research will be led in strong collaboration with several groups of theoretician, in particular the one from Iacoppo Carusotto from Trento University in Italy. Références : [1] E. Wertz et al, Nature Phys. 6, 860 (2010);[2] D. Tanese, et al., Phys. Rev. Lett. 112, 146404 (2014);[3] W. G. Unruh, Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981) ;[4] H.S. Nguyen et al., Phys. Rev. Lett. 114, 036402 (2015)