Condensation monocoup de polaritons. Photoluminescence (indiquant la densité de polaritons) au-dessus du seuil de condensation. La théorie à RHS montre un accord remarquable avec l'expérience. Crédit :FLOTTE
Une avancée de l'ANU fournit un « instantané » jamais réalisé de la condensation de Bose-Einstein.
Précédemment, les observations d'excitons-polaritons dans un condensat de Bose-Einstein se sont limitées à une moyenne statistique sur des millions d'événements de condensation.
L'imagerie « instantanée » de polaritons formant un condensat dans un semi-conducteur inorganique typique était considérée comme impossible.
Maintenant, Des chercheurs de FLEET de l'Australian National University ont mené pour la première fois une étude internationale sur l'imagerie des excitons-polaritons en un seul coup, plutôt que de faire la moyenne.
"Cela offre une opportunité unique de comprendre les détails de la condensation de Bose-Einstein des excitons-polaritons, " explique l'auteur principal Eliezer Estrecho.
De telles avancées fondamentales aident également les recherches de FLEET sur la condensation excitonique et la superfluidité en tant que mécanisme de conduction électronique sans dissipation d'énergie gaspillée.
Les excitons-polaritons sont des particules hybrides qui sont en partie matière et en partie lumière, liés entre eux par un fort couplage de photons et de paires électron-trou (excitons) au sein de microcavités semi-conductrices, où ils peuvent former un condensat de Bose-Einstein.
Un condensat de Bose-Einstein (BEC) est un état quantique de la matière dans lequel toutes les particules ont la même énergie et la même longueur d'onde, ce qui signifie que les effets quantiques peuvent être observés à une échelle macroscopique. Un BEC peut former un superfluide, c'est-à-dire écoulement sans résistance.
Cependant, parce que la durée de vie exciton-polariton est mesurée en picosecondes (billionièmes de seconde), les observations de BEC ont toujours inclus une moyenne de plus d'un million de vies d'excitons-polaritons.
C'est comme prendre une longue exposition d'objets en mouvement :vous obtenez une image floue.
L'équipe de l'ANU s'est assurée que sa caméra sensible ne capture qu'une seule durée de vie ou « un seul coup » du condensat, leur permettant d'observer un comportement inédit des excitons-polaritons.
Résultats théoriques et mesures d'énergie résolues spatialement. Crédit :FLOTTE
L'étude
L'imagerie monocoup est réalisée en analysant la photoluminescence cohérente de la cavité due à la désintégration des excitons-polaritons. "Avant maintenant, " déclare la professeure associée Elena Ostrovskaya, « cela était considéré comme impossible dans les microcavités inorganiques, parce que les émissions n'étaient tout simplement pas assez lumineuses."
La densité d'excitons-polaritons piégés dans des microcavités inorganiques est trop faible pour être détectée en mode monocoup, en partie parce que l'exciton-polariton ne vit pas assez longtemps pour que la densité s'accumule.
Pour obtenir un meilleur signal, l'équipe a utilisé des échantillons de très haute qualité conçus et fabriqués par leurs collaborateurs aux USA, prolongeant la durée de vie des polaritons d'un ordre de grandeur et poussant la densité suffisamment élevée pour que la caméra sensible puisse détecter.
L'imagerie a révélé que contrairement au condensat lisse observé dans les expériences moyennées, le condensat forme en fait des filaments (voir image ci-dessous) dont l'orientation varie d'un tir à l'autre.
Cette filamentation est le résultat d'une interaction de polaritons avec un réservoir incohérent, et est une propriété intrinsèque de la condensation hors équilibre.
Cette caractéristique est particulièrement prononcée pour les excitons-polaritons avec un caractère de type photon et est moins évidente pour les excitons-polaritons avec un comportement de type exciton, qui sont plus proches de l'équilibre.
L'étude a trouvé un accord remarquable entre l'expérience et les simulations numériques, valider la théorie de fond de la dynamique des condensats excitons-polaritons.
Les travaux ouvrent la voie à d'autres études fondamentales sur les transitions de phase quantiques et la condensation hors équilibre dans les systèmes à l'état solide.
Les expériences monocoup pourraient s'avérer essentielles pour notre compréhension de la nature fondamentale (et encore débattue) de la phase condensée dans ces systèmes.
L'étude, "Condensation en un seul coup de polaritons d'excitons et effet de combustion des trous, " a été publié dans Communication Nature en août 2018.
