Polariton - Définition

Introduction

Les polaritons sont des quasiparticules issues du couplage fort entre une onde lumineuse et une onde de polarisation électrique. Plusieurs cas de figure sont possibles :

1. L'onde de polarisation est un phonon optique, c’est-à-dire essentiellement l'oscillation mécanique de deux atomes de charge opposée à l'intérieur d'un cristal. Les polaritons phononiques ont été beaucoup étudiés par la spectroscopie Raman dans les années 1970 -80 et ont permis de mesurer la constante diélectrique à haute fréquence dans les semiconducteurs.
2. L'onde de polarisation est un exciton dans un semiconducteur. La mesure de la relation de dispersion des polaritons excitoniques dans le matériau massif a permis de mesurer la force d'oscillateur des excitons, ainsi que leur masse.
3. Un cas proche du précédent est celui où l'onde lumineuse est confinée dans une microcavité et l'exciton est confiné dans un puits quantique. Les polaritons de microcavités sont des quasiparticules bidimensionnelles ayant une très faible masse effective, et sont un candidat intéressant pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein dans les semiconducteurs. D'autre part, un oscillateur paramétrique optique à très bas seuil a été démontré dans ces structures. Cet OPO fonctionne grâce à une non-linéarité χ⁽³⁾ provenant des collisions polariton-polariton.
4. L'onde de polarisation est un plasmon de surface dans un métal.

La présence des polaritons est observée par la présence d'un anticroisement dans les relations de dispersion de la lumière et celle d'une résonance « matérielle » qui peut être couplée à la lumière.

Analogie avec un système de pendules couplés

Pour illustrer la notion de couplage fort, une analogie peut être faite avec un système mécanique composé de deux oscillateurs couplés, par exemple deux pendules identiques reliés par un fil de torsion. Chacun des deux pendules est l'analogue d'une des deux ondes : l'un représente l'onde lumineuse, l'autre représente l'onde de polarisation, et le fil de torsion introduit un couplage entre les deux.

Deux cas de figure se présentent selon le mode d'excitation du système. Dans un premier cas, si l'on excite sélectivement un des deux pendules, le deuxième pendule se met en mouvement, puis absorbe toute l'énergie mécanique du système, avant que l'énergie mécanique du premier pendule n'augmente à nouveau. Ainsi, si l'on excite sélectivement l'un des deux pendules, l'énergie oscille de l'un à l'autre. En analogie, si la lumière est à la même fréquence que la résonance de polarisation (δ = 0), elle est absorbée et réémise plusieurs fois au cours de sa propagation, à une fréquence Ω_R.

Cependant, il est également possible d'exciter le système selon un autre mode, par exemple les deux pendules en phase, ou encore en opposition de phase l'un par rapport à l'autre. Dans ce cas, l'énergie mécanique de chacun des pendules reste constante au cours du temps (en négligeant l'amortissement global du système dû aux pertes). Puisque le mouvement des pendules reste alors identique à lui-même au cours du temps, de tels modes sont appelés modes stationnaires du système couplé. En analogie avec le système mécanique, une onde stationnaire peut également être créée, mixte en ce sens que les deux ondes de départ sont excitées simultanément. Les polaritons correspondent aux quanta de cette onde mixte.

Le couplage entre les deux ondes peut être quantifié par une grandeur énergétique appelée dédoublement de Rabi , où Ω_R est la pulsation de Rabi. Le couplage entre les deux ondes n'a pas d'influence lorsque la différence de fréquence δ entre les deux ondes vérifie , et les deux ondes peuvent être considérées comme indépendantes. En revanche, le concept de polariton prend toute son importance lorsque .