Des scientifiques de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie ont démontré le laser exciton-polariton et la diffusion paramétrique des excitons-polaritons dans un système de microcavités optiques couplées. Les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue Nanophotonique .

Les excitons-polaritons sont des quasiparticules formées par un couplage fort entre les excitons et les photons dans un semi-conducteur. Leur nature bosonique et leurs interactions non linéaires permettent l'observation de phénomènes fascinants tels que la condensation de Bose-Einstein de polaritons et le polariton laser, lequel, contrairement au laser typique, se produit sans inversion d'occupation.

Systèmes de microcavités couplées, tels que ceux à base de deux microcavités optiques couplées, offrent une plate-forme prometteuse à plusieurs niveaux pour la recherche fondamentale et les applications pratiques. La structure unique constituée de plusieurs dizaines de couches à l'épaisseur précisément définie (chacune avec une précision de quelques nanomètres) a été fabriquée dans le laboratoire MBE de la Faculté de Physique, Université de Varsovie.

« Dans l'ouvrage présenté, nous étudions les effets non-linéaires dans un système de deux microcavités optiques couplées. La condensation de Bose-Einstein des polaritons et l'effet laser à polaritons se produisent aux deux niveaux d'énergie les plus bas d'un système global à quatre niveaux. Il s'agit d'un résultat surprenant dans le contexte de ce qui a été précédemment observé dans des microcavités uniques, où la condensation a eu lieu dans l'état fondamental du système. Des mesures de dynamique d'émission ont montré que dans le cas présent les condensats d'énergies différentes partagent le même seuil laser, mais n'apparaissent pas simultanément, c'est-à-dire qu'ils se forment et disparaissent par la suite, un par un. De plus, le passage à l'état condensé s'accompagne d'une diffusion paramétrique dégénérée en énergie des polaritons, c'est-à-dire celui dans lequel l'état du cristal est conservé avant et après le processus de diffusion, " explique Krzysztof Sawicki.

Dans les études précédentes sur les microcavités couplées, la diffusion paramétrique a été obtenue en utilisant une excitation strictement résonante. L'excitation non résonante utilisée dans le présent travail permet une séparation spectrale du signal du laser d'excitation, ce qui est un résultat prometteur du point de vue de la mise en œuvre de sources de photons intriqués à base de polaritons.

Précédemment, un système de microcavité couplé a été utilisé pour démontrer le transfert d'énergie sur 2 micromètres, médiée par les états de polaritons. Il s'agit d'une distance record compte tenu de l'échelle nanométrique typique d'interaction entre les excitons dans un semi-conducteur.

"Nous espérons que nos résultats ouvriront la voie à la recherche sur de nouveaux types d'effets non linéaires dans les systèmes de polaritons à plusieurs niveaux. Notre travail est essentiel pour des domaines en développement aussi rapides que, par exemple, l'informatique quantique tout optique, puisque les interactions non linéaires dans un système multi-niveaux peuvent permettre la mise en œuvre de systèmes logiques basés sur des polaritons, " ajoute Jan Suffczynski.