Etats collectifs et dispositifs basés sur les excitons indirects dans des puits quantiques à grand gap

par François Chiaruttini

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Maria Vladimirova et de Thierry Guillet.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Les excitons indirects (IX) sont des quasi-particules, qui peuvent se former quand un électron et un trou sont séparés spatialement dans la direction de croissance d'un puits quantique semi-conducteur soumis à un champ électrique. Contrairement aux excitons traditionnels, leurs grandes durées de vie leur permettent de se refroidir jusqu'à la température du réseau cristallin. Ils peuvent aussi se propager sur des grandes distances et être contrôlés par une tension électrique, grâce à leur moment dipolaire. La capacité de se propager sur des grandes distances permet de les étudier par imagerie optique. Les IX sont des bosons, et ils sont considérés comme un système modèle pour la réalisation des états collectifs dans les gaz quantiques bosoniques, tel que le condensat de Bose-Einstein. Ils sont aussi prometteurs pour le développement de dispositifs excitoniques. Les excitons dans des puits quantiques polaires fabriquées à partir de semi-conducteurs à large bande interdite appartiennent à la famille des excitons indirects. Dans ces matériaux les excitons sont robustes. On peut détecter l'émission excitonique jusqu'à la température ambiante ce que permet d'envisager les applications basées sur des IXs. D'autre part ces IXs peuvent garder leurs propriétés même à des très grandes densités. Cette faculté est importante pour permettre la formation des états collectifs, aussi appelés condensats. Ces travaux s'insèrent ainsi dans la thématique vaste de la physique quantique des condensats, dont les plus célèbres sont ceux formés d'atomes froids à très basse température. Des nombreux autres systèmes formant des condensats sont actuellement étudiés, des les paires de Cooper aux polaritons, et les excitons indirects constituent un système-modèle prometteur, dans des nanostructures à l'état solide et à température cryogénique voire ambiante. Une collaboration étroite entre L2C (M. Vladimirova, T. Guillet) et CRHEA (B. Damilano, Y. Cordier à Valbonne près de Nice) a permis de démontrer le transport efficace des excitons dans des puits quantiques à base de GaN, préparés par homo-épitaxie sur les substrats GaN. Ce travail est financé par l'ANR via le projet OBELIX ((tOwards Bose-Einstein Liquid with Indirect eXcitons) qui a pour but la réalisation des états excitoniques collectifs dans différentes structures à base de semi-conducteurs. Le transport de excitons à des distances de l'ordre d'une dizaine des microns et les densités importantes sont des éléments clés, nécessaires pour générer les états collectifs. La feuille de route que nous suggérons consiste à piéger et contrôler activement le gaz d'excitons dans des dispositifs optoélectroniques à effet de champ. Cette approche est prometteuse non seulement pour la réalisation des états collectifs quantiques, mais aussi pour développer des dispositifs pratiques basés sur les IXs. Le projet de recherche proposé consiste à explorer des liquides d'excitons indirects dans des puits quantiques à base de GaN et ZnO par les techniques de la microscopie optique. L'étudiant(e) va étudier les dispositifs préparés au CRHEA par la microscopie optique dans le domaine UV, déjà disponible à L2C. Il(elle) va interagir étroitement avec le CRHEA afin d'identifier le design optimal des heterostructures, ainsi que des pièges et des transistors à excitons. Les électrodes seront fabriquées par lithographie optique au CRHEA sur les échantillons sélectionnés. On s'attend d'obtenir dans ces piège un gaz froid et dense d'excitons. Nous envisageons de tester par microscopie optique différentes géométries des pièges, afin de démontrer la formation d'un état collectif cohérent à basse température (4K). En combinant l'imagerie optique avec la résolution spectrale et temporelle, on espère pouvoir accéder à la thermodynamique quantique et aux propriétés de transport dans des liquides excitoniques. En parallèle, l'efficacité de control électrique des flux d'excitons sera étudié en fonction de température.

  • Titre traduit

    Collective states and devices based on indirect excitons in wide bandgap quantum wells


  • Résumé

    Indirect excitons (IXs) are bosonic quasi-particles in semiconductors with unique properties: they have long lifetime and spin-relaxation time, can travel over large distances before recombination, can be cooled down to low temperatures and form a quantum gas, and can be controlled by voltage in-situ. Due to these properties, they form a model system both for the studies of fundamental properties of light and matter and for the development of conceptually new excitonic devices. Excitons in polar GaN (ZnO) quantum wells can be considered as naturally indirect excitons, because of the strong built-in electric field in the growth direction. A close collaboration between the L2C (M. Vladimirova, T. Guillet) and the CRHEA (B. Damilano, Y. Cordier in Valbonne, Nice region) recently lead to the demonstration of an efficient exciton transport from cryogenic to room temperature in GaN quantum wells homo-epitaxially grown on GaN substrates. This work is funded by ANR via the OBELIX project (tOwards Bose-Einstein Liquid with Indirect eXcitons), which aims to realize collective states of excitons in various semiconductor heterostructures. The transport of µs-lifetime excitons over tens of microns and high densities is the pre-requisite to create collective exciton states, which are at the heart of the present PhD project. The roadmap that we suggest consist in the trapping and the active control of a dense gas of indirect excitons within field-effect devices. This approach is promising for both practical excitonic devices and for the realization of collective quantum states in solid state. The proposed research project consists in the exploration of indirect exciton liquids in GaN and ZnO-based quantum wells by optical microscopy. The student will investigate the devices by UV optical microscopy available at L2C. He will closely interact with CRHEA in order to identify the optimal design the excitonic traps and transistors. The electrode patterns will be fabricated in CHREA by optical lithography on the chosen samples. The traps are expected to allow creating dense and cold gas of IXs. Different trap geometries will be tested by optical microscopy, combined with electric characterization and control, in order to demonstrate the formation of coherent collective state at low temperatures (T=4K). A combination of imaging techniques with spectral and temporal resolution will give access to the quantum thermodynamics and the transport properties of the exciton liquids. In parallel, the efficiency of the electric control of the exciton fluxes will be evaluated at different temperatures.