n quasiparticules dites polaritons, les états de lumière et de matière sont fortement couplés. Le groupe du professeur Ataç İmamoğlu a maintenant développé une nouvelle approche pour étudier les propriétés optiques non linéaires des polaritons dans des états électroniques fortement corrélés. Ce faisant, ils ont ouvert de nouvelles perspectives pour explorer les deux ingrédients du polariton :de nouvelles fonctionnalités pour les dispositifs photoniques et un aperçu fondamental des états exotiques de la matière.

Le concept de « quasi-particules » est un cadre très efficace pour la description de phénomènes complexes qui émergent dans les systèmes à plusieurs corps. Une espèce de quasi-particules qui a particulièrement attiré l'intérêt ces dernières années sont les polaritons dans les matériaux semi-conducteurs. Ceux-ci sont créés en projetant de la lumière sur un semi-conducteur, où les photons excitent des ondes de polarisation électronique, appelés excitons. Le processus de création est suivi d'une période pendant laquelle la dynamique du système peut être décrite comme celle d'une entité semblable à une particule qui n'est ni lumière ni matière, mais une superposition des deux. Ce n'est qu'une fois que ces quasiparticules mixtes lumière-matière se désintègrent, généralement à l'échelle de la picoseconde, que les photons retrouvent leur identité individuelle. Ecrire dans le journal La nature , Patrick Knüppel et ses collègues du groupe du professeur Ataç Imamoglu du département de physique de l'ETH Zurich décrivent maintenant des expériences dans lesquelles les photons libérés révèlent des informations uniques sur le semi-conducteur qu'ils viennent de quitter; en même temps, les photons ont été modifiés d'une manière qui n'aurait pas été possible sans interagir avec le matériau semi-conducteur.

Enseigner de nouvelles astuces aux photons

Une grande partie de l'intérêt récent pour les polaritons vient de la perspective qu'ils ouvrent de nouvelles capacités intrigantes en photonique. Spécifiquement, les polaritons fournissent un moyen de laisser les photons faire quelque chose que les photons ne peuvent pas faire seuls :interagir les uns avec les autres. Les rayons lumineux se traversent normalement les uns les autres. Par contre, les photons qui sont liés dans les polaritons peuvent interagir à travers la partie matière de ces derniers. Une fois que cette interaction peut être rendue suffisamment forte, les propriétés des photons peuvent être exploitées de nouvelles manières, par exemple pour le traitement de l'information quantique ou dans de nouveaux matériaux quantiques optiques. Cependant, obtenir des interactions suffisamment fortes pour de telles applications n'est pas une mince affaire.

Cela commence par la création de polaritons en premier lieu. Le matériau semi-conducteur hébergeant le système électronique doit être placé dans une cavité optique, pour faciliter un couplage fort entre la matière et la lumière. La création de telles structures est quelque chose que le groupe d'Imamoglu a perfectionné au fil des ans, en collaboration avec d'autres, notamment avec le groupe du professeur Werner Wegscheider, également au Département de physique de l'ETH Zurich. Un autre défi consiste à rendre l'interaction entre les polaritons suffisamment forte pour qu'ils aient un effet important pendant la courte durée de vie des quasiparticules. Comment parvenir à une telle interaction polariton-polariton est actuellement un problème ouvert majeur dans le domaine, entraver les progrès vers des applications pratiques. Et ici Knüppel et al. ont maintenant apporté une contribution substantielle avec leurs derniers travaux.

Marques d'interaction forte

Les physiciens de l'ETH ont trouvé un moyen inattendu d'améliorer l'interaction entre les polaritons, à savoir en préparant convenablement les électrons avec lesquels les photons sont sur le point d'interagir. Spécifiquement, ils ont commencé avec les électrons étant initialement dans le régime dit de Hall quantique fractionnaire, où les électrons sont confinés à deux dimensions et exposés à un champ magnétique élevé, pour former des états hautement corrélés entièrement entraînés par des interactions électron-électron. Pour des valeurs particulières du champ magnétique appliqué, qui détermine le facteur de remplissage caractérisant l'état de Hall quantique, ils ont observé que les photons brillaient et réfléchis par l'échantillon présentaient des signatures claires de couplage optique aux états de Hall quantique (voir la figure).

Surtout, la dépendance du signal optique vis-à-vis du facteur de remplissage du système électronique est également apparue dans la partie non linéaire du signal, un indicateur fort que les polaritons ont interagi les uns avec les autres. Dans le régime de Hall quantique fractionnaire, les interactions polariton-polariton étaient jusqu'à un facteur dix plus fortes que dans les expériences avec les électrons en dehors de ce régime. Cette amélioration d'un ordre de grandeur est une avancée significative par rapport aux capacités actuelles, et pourrait être suffisant pour permettre des démonstrations clés de « polaritonique » (telles qu'un fort blocus de polaritons). Ceci notamment comme dans les expériences de Knüppel et al. l'augmentation des interactions ne se fait pas au détriment de la durée de vie du polariton, contrairement à de nombreuses tentatives précédentes.

La puissance, et défis, de l'optique non linéaire

Au-delà des implications pour la manipulation de la lumière, ces expériences portent également la caractérisation optique des états à plusieurs corps des systèmes électroniques bidimensionnels à un nouveau niveau. Ils établissent comment séparer la faible contribution non linéaire au signal de la contribution linéaire dominante. Cela a été rendu possible grâce à un nouveau type d'expérience que les chercheurs de l'ETH ont développé. Un défi majeur était de faire face à l'exigence d'avoir à éclairer l'échantillon avec une lumière de puissance relativement élevée, pour ajuster le faible signal non linéaire. Pour s'assurer que les photons frappant le semi-conducteur ne provoquent pas de modifications indésirables du système électronique, en particulier, ionisation des charges piégées - l'équipe Imamoglu-Wegscheider a conçu une structure d'échantillon qui a une sensibilité réduite à la lumière, et ils ont effectué des expériences avec une excitation pulsée plutôt que continue, pour minimiser l'exposition à la lumière.

L'ensemble d'outils maintenant développé pour mesurer la réponse optique non linéaire des états Hall quantiques devrait permettre une nouvelle compréhension au-delà de ce qui est possible avec les mesures optiques linéaires ou dans les expériences de transport traditionnellement utilisées. C'est une bonne nouvelle pour ceux qui étudient l'interaction entre les excitations photoniques et les systèmes électroniques bidimensionnels, domaine dans lequel les problèmes scientifiques ouverts ne manquent pas.