Un record de vitesse pour les condensats de polaritons
Publié par Redbran le 03/04/2019 à 14:00
Source: CNRS INP
Particules mi-lumière mi-matière, les polaritons peuvent former des condensats. Ces ensembles quasi immobiles ont pour la première fois été mis en mouvement à des vitesses très élevées, jusqu'à atteindre 20 % de la vitesse de la lumière dans des guides d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi...) en oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.).


Observation de la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé...) de polaritons se propageant à vitesse (On distingue :) élevée. A droite: émission laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme...) du condensat à environ 3.34 eV, soit environ 370 nm ; à gauche: courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes...) (énergie E en fonction du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut...) d'onde k, ici en fonction de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'émission) démontrant la nature polaritonique de l'émission laser, leur vitesse de groupe étant donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par δE/δk et atteignant ici les 50 µm/ps. La valeur de Ω donne la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) du couplage entre la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) et les excitons au sein du guide, responsable de la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins...) importante par rapport au mode guidé nu (en pointillé blanc). © J. Zuniga-Perez, CRHEA (CNRS)

Les polaritons sont des particules qui résultent d'une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte entre la lumière et la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) - ici des électrons et trous excités (excitons) dans des semi-conducteurs tel que l'arséniure de gallium (GaAs) ou l'oxyde de zinc (ZnO). Un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) de polaritons peut former un condensat, c'est-à-dire occuper un même état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le système, dans le but de prévoir les...) et avoir un comportement d'ensemble cohérent (condensat de Bose-Einstein). La lumière qu'ils émettent est également cohérente, c'est pourquoi ils sont appelés aussi lasers à polaritons. Mi-lumière mi-matière, les polaritons sont intéressants notamment parce qu'ils interagissent avec leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre...) plus efficacement que la lumière seule, ce qui facilite par exemple l'obtention des effets non-linéaires utilisés dans les dispositifs optiques. Les condensats de polaritons sont généralement immobiles: ils sont conçus dans des microcavités semi-conductrices verticales dont l'état de plus basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) est caractérisé par une vitesse nulle. Les tentatives pour mettre ces condensats en mouvement ont jusque-là mené à des faibles vitesses ou ont été accomplies au prix des propriétés des polaritons, qui voient alors leur capacité d'interagir avec l'environnement chuter. Grâce à la fabrication d'un guide d'onde en ZnO, les chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Pascal (CNRS/Université Clermont Auvergne/SIGMA Clermont), du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) sur l'hétéroépitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS) et du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud) ont pour la première fois réussi à condenser des polaritons dans un état caractérisé par une très grande vitesse (de groupe), environ 20 % celle de la lumière dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...).

Au contraire des microcavités verticales, le système de guide d'onde offre accès à une dispersion polaritonique caractérisée par de grands vecteurs d'onde qui permet la propagation des polaritons à grande vitesse (voir la figure). Créés dans le ZnO plutôt que dans le GaAs, les polaritons vont relaxer à partir d'un réservoir d'excitons en perdant leur énergie facilement en raison d'un échange plus efficace avec les vibrations du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) (phonons). Ceci leur permet d'atteindre très rapidement la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure...) seuil nécessaire pour la condensation, et ce, même au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure de la propagation. Enfin, malgré leur grande vitesse, les polaritons du condensat gardent leurs propriétés d'interaction avec l'environnement. En outre, contrairement aux guides habituels en AsGa qui ne fonctionnent qu'en dessous de - 200 °C, ce système fonctionne à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) ambiante. Ces travaux permettent ainsi d'envisager des circuits intégrés polaritoniques de quelques microns de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...), alors que les équivalents photoniques ont des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) de l'ordre du millimètre.

Références publication:
Edge-emitting polariton laser and amplifier based on a ZnO waveguide
Omar Jamadi, François Reveret, Pierre Disseix, François Medard, Joel Leymarie, Antoine Moreau, Dmitry Solnyshkov, Christiane Deparis, Mathieu Leroux, Edmond Cambril, Sophie Bouchoule, J. Zuniga-Perez et Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Malpuech.
Light: Science & Applications, le 31 octobre 2018.
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes arXiv.

Contact chercheur:
Jesus Zuniga Pérez - Chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au CRHEA
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