Micro-cavité Fabry Perot fibrée : une nouvelle approche pour l'étude des polaritons dans des hétérostructures semi-conductrices

par Benjamin Besga

Thèse de doctorat en Physique Quantique

Sous la direction de Jakob Reichel.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .

mots clés

• Électrodynamique quantique en cavité
• Puits quantiques
• Polaritons

Résumé

L'interaction entre la lumière et la matière est au coeur de la physique quantique depuis ses origines. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre les excitations élémentaires d'une hétérostructure semi-conductrice (excitons de boîtes et de puits quantiques) et le mode du champ d'une cavité Fabry Perot fibrée. Nous présentons une caractérisation des propriétés géométriques et spectrales des modes de la micro-cavité fibrée plan-concave. Cette dernière est entièrement ajustable et cette nouvelle approche nous permet d'étudier plusieurs régimes de l'électrodynamique quantique d'émetteurs solides en cavité. Pour une boîte quantique unique dans une micro-cavité fibrée nous obtenons un couplage à la limite du régime de couplage fort et une coopérativité supérieure à l'unité, traduisant le potentiel d'un tel système pour des applications dans le domaine de l'information quantique. Pour un puits quantique dans une micro-cavité fibrée, le couplage obtenu est comparable a celui observé dans des structures intégrées et permet d'étudier plusieurs aspects de la physique des polaritons confinés optiquement. Ces derniers, issus du couplage fort d'un exciton et d'un photon, possèdent un temps de vie relativement long qui permet d'étudier les propriétés thermodynamiques du système. Le rôle du désordre dans le puits quantique est explicité. Cela nous permet d'interpréter la non-linéarité de la photoluminescence des polaritons avec la puissance de pompe en termes de transition de Dicke. Enfin, le confinement optique des polaritons, permet d'étudier le rôle des interactions entre polaritons et ouvre la voie vers un régime de blocage quantique de polariton.

Titre traduit

Fibered Fabry Perot micro-cavity : a new approach for semi-conductor heterostructures polariton study

Résumé

Light matter interaction take a prominent part in quantum physics since its beginning. Here, we are concerned with the interaction between elementary excitations of semi-conductor heterostructures (quantum dots and wells excitons) and one fibered Fabry Perot cavity mode. Characterization of geometrical and spectral properties of a plano-concave fibered micro-cavity is presented. The latter is fully tunable, and this new approach allows us to study various cavity quantum electrodynamics aspects. For a single quantum dot in a fibered micro-cavity we demonstrate the onset of strong coupling, and a cooperativity parameter exceeding unity, which make this system suitable for quantum information applications. For a quantum well in a fibered micro-cavity, we obtain similar coupling than the one of integrated devices. This enables us to explore various sights of optically trapped polaritons. These last are the outcome of the strong coupling between excitons and photons, and their lifetimes are long enough to study their thermodynamics properties. The role of the disorder in the quantum well is highlighted, and the non-linearity of the polariton photoluminescence with the pump power is explained as a Dicke transition. Finally the optical confinement enhances polariton-polariton interactions and paves the road to a quantum blockade regime.