Polariton BIC. a, Représentation du guide d'onde à polaritons avec réseau 1D partiellement gravé. b, Dépendance des extrema des bandes supérieure et inférieure en kx = 0 sur la fraction d'air du réseau (wa/a), avec des couleurs correspondant au facteur Q , telles que calculées par FDTD. En médaillon, dispersion calculée des modes de réseau (sans résonance d'exciton) ; l'épaisseur du trait représente la largeur des résonances photoniques correspondantes pour wa = 0,25a (trait vertical rouge). c, Dispersion des polaritons en fonction de kx dans la gamme d'énergie autour de la transition excitonique (ligne pointillée verte), calculée à partir d'un modèle d'oscillateurs couplés :les résultats FDTD des composants photoniques sont couplés à la résonance excitonique ; les couleurs sont une représentation linéaire de la fraction excitonique pour chaque mode entre 0 (photon) et 1 (exciton). d, Émission de photoluminescence résolue en angle sous excitation non résonante à partir d'un réseau de pas a ≈ 240 nm et de facteur de remplissage FF ≈ 0,7. La tache sombre à E ≈ 1,519 eV sur la branche inférieure du polariton provient du polariton BIC. Le modèle d'oscillateurs couplés (ligne pointillée bleue) est utilisé pour ajuster la dispersion des polaritons, comme dans c. e, énergies maximales extraites expérimentalement et HWHM (échelle de couleurs) correspondante des deux modes de polariton visibles en d en fonction de kx. Les points les plus proches de kx ≈ 0 ne peuvent pas être caractérisés, faute de signal de l'état sombre. f, Durée de vie résolue en énergie des polaritons se propageant à partir de la branche hébergeant le mode BIC qui correspond à la fraction d'exciton 0,5 (|X|2). Les barres d'erreur (jaunes) sont explicitement signalées, avec une taille croissante à l'approche de l'énergie BIC (ligne pointillée verticale). g, Dispersion des modes de polaritons en fonction de kx et ky, extraits de spectres expérimentaux. La dispersion de la branche inférieure forme clairement une selle, avec un minimum selon ky et un maximum selon kx. h, Dispersion de polaritons calculée le long de kx et ky, obtenue par le modèle d'oscillateurs couplés, comme en c et d. Les couleurs en g, h correspondent à l'axe de l'énergie, augmentant du foncé au clair. Crédit :Nature (2022). DOI :10.1038/s41586-022-04583-7
Une équipe de physiciens du CNR-Nanotec de Lecce, de l'Université de Pavie, de l'Université de Princeton et de l'Université de Lyon a démontré la condensation de Bose-Einstein à l'aide d'un guide d'onde planaire où les puits quantiques semi-conducteurs étaient fortement couplés à un état lié dans un continuum (BIC). Dans leur article publié dans la revue Nature , le groupe décrit comment il a conçu et construit un guide d'ondes pris en charge par BIC et l'a utilisé pour démontrer la condensation polaritonique de Bose-Einstein.
Les BIC sont des états topologiques dans un système quantique qui ont des propriétés uniques - leur énergie se trouve dans le spectre des modes qui se propagent dans l'espace qui les entoure. Ils n'interagissent pas avec d'autres états dans un continuum, et leur énergie, qui est réputée réelle, a un facteur Q infini. Ils ne peuvent pas non plus rayonner dans un champ lointain. De tels états peuvent exister dans les systèmes acoustiques, électroniques et photoniques. Dans ce nouvel effort, les chercheurs travaillaient avec eux dans un système photonique, où les cristaux sont utilisés pour améliorer leurs effets non linéaires.
Le travail du groupe impliquait l'utilisation des propriétés d'un BIC pour démontrer la condensation polaritonique de Bose-Einstein (où un gaz se refroidit presque jusqu'au zéro absolu formant un nouvel état de la matière) dans un guide d'ondes planaire (un dispositif qui guide la lumière dans une direction verticale .)
Dans leurs travaux, les chercheurs ont construit un guide d'ondes à l'aide de 12 couches d'arséniure de gallium, chaque couche étant séparée par des barrières. Les cinq couches du haut ont ensuite été gravées avec un réseau 1D conçu pour assurer un état BIC résonant avec l'excitation des puits quantiques dans les couches. Cela garantissait également que la matière et la lumière étaient fortement couplées. Cela a conduit à la formation d'excitons-polaritons qui, à cause du BIC, étaient localisés et avaient une largeur de raie infiniment étroite.
Les chercheurs ont ensuite fait fonctionner leur appareil en utilisant des impulsions laser dirigées vers le guide d'ondes et, ce faisant, ont montré une condensation polaritonique de Bose-Einstein - ils ont observé des émissions à double pic près des bords du BIC, la largeur de raie se rétrécissant et l'apparition d'un décalage vers le bleu. Ils ont également montré que les propriétés BIC vues par les polaritons étaient à la fois supérieures et inférieures au niveau seuil d'excitation associé à la condensation.
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