Condensation of exciton polaritons
par Jacek Kasprzak
Thèse de doctorat en Physique
Sous la direction de Daniel Le Si Dang.
Soutenue en 2006
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Résumé
La condensation de Bose-Einstein est prédite par Einstein en 1925 pour des particules indiscernables de spin entier, les bosons. Il s'agit d'une transition de phase vers un état quantique de cohérence macroscopique, dont la température critique dépend directement de la masse des particules. Ce n'est qu'en 1995 qu'un condensat a pu être formé en phase gazeuse en refroidissant des atomes alcalins à la température ultra-basse de 10−6 degré Kelvin, provoquant ainsi une explosion d'activités de recherche dans le monde sur le sujet. Concernant la phase solide, les excitons dans les semi-conducteurs sont considérés comme le candidat le plus prometteur pour la condensation de Bose-Einstein. En effet leur masse est cent mille fois plus légère que celle des atomes alcalins, ce qui devrait permettre leur condensation à une température voisine du degré Kelvin. Cependant malgré de nombreuses études depuis une trentaine d'années, aucune preuve convaincante de l'existence de condensat d'excitons n'avait été apportée à ce jour. Récemment l'attention s'est portée sur les polaritons dans les microcavités semi-conductrices contenant des puits quantiques. Une microcavité semi-conductrice à puits quantiques est une hétérostructure photonique destinée à exalter l'interaction matière-rayonnement entre les excitons confinés dans le puits quantique et les photons confinés dans la microcavité. Lorsque l'énergie de ces photons coïncide avec celle des excitons, la microcavité peut entrer dans le régime de couplage fort d'oscillations de Rabi. Les nouveaux états propres du système (microcavité-puits quantique) sont appelés polaritons qui sont des états mixtes exciton-photon. Par leur nature photonique, ces bosons possèdent une masse dix mille fois plus légère que celle des excitons, un avantage certain pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein. Nous avons observé l'occupation massive de l'état fondamental du polariton, qui se développe à partir d'un nuage de polaritons thermalisés à une température de (16-20) K. La formation du condensat est accompagnée par l'apparition spontanée de la cohérence temporelle et de la cohérence spatiale à longue portée, ainsi qu'une forte polarisation linéaire. La transition d'un état thermique à un état quantique est démontrée par des mesures de la fonction de corrélation d'ordre 2 en fonction de la densité des polaritons. L'ensemble de ces observations constitue la première évidence de la condensation de Bose-Einstein en phase solide.
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Titre traduit
Condensation d'excitons polaritons
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Résumé
Because of their unique property of bringing pure quantum effects into the real world scale, phase transitions towards condensed phases - like Bose-Einstein condensation, superfluidity, and superconductivity - have always fascinated scientists. The BEC, appearing upon cooling a gas of bosons below a critical temperature, has been given a striking demonstration in dilute atomic gases of rubidium atoms at temperatures below 200nK. By confining photons in a semiconductor microcavity, and strongly coupling them to electronic excitations, one may create polaritons. These bosonic quasi-particles are 109 times lighter than rubidium atoms, thus theoretically allowing a BEC at standard cryogenic temperatures. Here we detail a comprehensive set of experiments giving compelling evidence for a BEC of polaritons. Above a critical density, we observe massive occupation of the ground state, developing from a thermalized and saturated distribution of the polariton population at (16-20)K. We demonstrate as well the existence of a critical temperature for this transition. The spontaneous onset of a coherent state is manifested by the increase of temporal coherence, the build-up of long-range spatial coherence and the reduction of the thermal noise observed in second order coherence experiments. The marked linear polarization of the emission from the condensate is also measured. All of these findings indicate the spontaneous onset of a macroscopic quantum phase.
