Pourquoi les excitons-polaritons bidimensionnels interagissent-ils ? La quasiparticule exciton-polariton est en partie lumière (photon), et une partie de la matière (exciton). Leur partie excitonique (matière) leur confère la capacité d'interagir avec d'autres particules, une propriété manquant aux photons nus.

En théorie, lorsqu'il est limité à seulement deux dimensions, lent, les excitons refroidis doivent cesser toute interaction entre eux. Cependant en pratique, ce comportement n'est pas observé avec les excitons-polaritons. Dans une nouvelle étude, Les chercheurs de FLEET de l'Université Monash ont découvert que la réponse réside dans les caractéristiques « semblables à la lumière » de ces quasiparticules. Cela a des applications potentielles dans l'utilisation de polaritons dans des semi-conducteurs atomiquement minces, comme l'électronique à ultra basse consommation.

Interactions améliorées grâce à un fort couplage lumière-matière

"Nous avons cherché des réponses à une question fondamentale sur les excitons-polaritons non posées auparavant, " explique l'auteur principal, le Dr Olivier Bleu. " Si les polaritons vivent en deux dimensions, pourquoi la disparition de leurs interactions à des vitesses lentes ne se produit-elle pas dans les expériences, comme prédit par la théorie de la diffusion quantique ?"

L'équipe a démontré que le couplage fort entre les excitons et les photons, avec l'énorme rapport de masse exciton-photon, modifie le comportement de diffusion attendu pour des excitons bidimensionnels « nus » et implique que les interactions de polaritons restent finies.

"Plus précisément, nous avons montré que le régime où les interactions devraient disparaître n'est pas observable car il faudrait un échantillon beaucoup plus grand que l'univers connu, " explique le co-auteur, le Dr Jesper Levinsen.

Les résultats montrent que les polaritons interagissent plus que les excitons, ce qui contraste avec l'hypothèse courante sur ces quasiparticules clés. "Ce travail apporte un éclairage nouveau sur les interactions entre les quasiparticules hybrides lumière-matière, et nous permettra d'approfondir notre compréhension de ces systèmes, " dit l'auteur correspondant A/Prof Meera Parish.

Des quasiparticules à la fois lumière et matière

Les excitons-polaritons se forment lorsque les excitons (paires électron-trou) sont fortement couplés à la lumière (photons) piégée dans une cavité optique. Cette « personnalité partagée » confère à l'exciton-polariton des propriétés uniques, prenant certaines des caractéristiques de la lumière et certaines des caractéristiques de la matière.

Leur capacité à interagir est au cœur d'une variété de phénomènes fascinants observables expérimentalement et encore mal compris, y compris la condensation polariton Bose-Einstein, superfluidité et effets optiques quantiques.

« Interactions de polaritons dans des microcavités avec des couches semi-conductrices atomiquement minces » a été publiée dans Examen physique de la recherche en novembre 2020.

L'étude a été menée dans le groupe du Dr Jesper Levinsen et A/Prof Meera Parish à l'Université Monash, qui étudie le comportement de grands groupes de particules quantiques en interaction qui présentent un comportement exotique, comme la superfluidité, dans lequel ils s'écoulent sans rencontrer de résistance.

Ce travail élargit les connaissances fondamentales de la physique quantique dans des systèmes allant des gaz atomiques froids aux semi-conducteurs à l'état solide, et a le potentiel de soutenir une nouvelle génération de résistance proche de zéro, appareils électroniques à très faible consommation d'énergie.