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Un condensat de polaritons à température ambiante

23 juillet 2013

LPN - UPR 20 , L2C - UMR 5221 , CRHEA - UPR 10 , transition de phase , condensat de Bose-Einstein , polaritons

Des physiciens ont réussi à condenser dans un même état quantique des polaritons, particules hybrides mi-lumière mi-matière, à température ambiante dans une microcavité d’oxyde de zinc.

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Obtenir un condensat de Bose-Einstein requiert de placer un grand nombre de particules quantiques identiques dans un même état. Pour un gaz d’atomes dans l’espace libre, il est nécessaire de refroidir le système à des températures extrêmement basses. En revanche, on sait depuis une dizaine d’années qu’il devrait être possible de concevoir des dispositifs semi-conducteurs dans lesquels la profondeur du puits de potentiel qui piège les polaritons est assez importante pour que les conditions de la condensation soient préservées à température ambiante. C’est maintenant chose faite, avec les travaux de physiciens du Centre de recherche sur l’hétéroepitaxie et ses applications-CRHEA (CNRS), de l’Iinstitut Pascal (CNRS/Université Clermont-Ferrand 2), du Laboratoire Charles Coulomb-L2C (CNRS/UM2) et du Laboratoire de photonique et de nanostructures-LPN* (CNRS) qui, en plaçant une couche active sémi-conductrice d’oxyde de zinc dans une microcavité à miroirs de Bragg diélectriques, ont obtenu un condensat de Bose-Einstein de polaritons à température ambiante. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Parvenir à ce résultat a nécessité les apports complémentaires de 4 équipes de chercheurs originaires de 4 laboratoires différents. En effet, il fallait pouvoir marier les excellentes qualités cristallines de l’oxyde de zinc, aux très grands facteurs de qualité optique des microcavités à miroirs de Bragg diélectriques. Les chercheurs ont gravé un cristal massif de ZnO jusqu’à une épaisseur de quelques centaines de nanomètres puis ont déposé de part et d’autre des miroirs de Bragg diélectriques. Dans ce dispositif, le couplage entre les excitons, c’est-à-dire les paires électron-trou, crées dans le ZnO, et les photons stockés dans la microcavité donne naissance à des excitations hybrides, les polaritons. En modifiant la température et l’épaisseur de la microcavité, les chercheurs ont pu modifier l’intensité du couplage et pu ajuster la proportion lumière-matière des excitons de manière continue entre un état presque purement excitonique et un état presque purement photonique. En choisissant les paramètres, ils ont abouti à la démonstration du premier condensat de polaritons depuis 4K jusqu’à 300K avec une grande richesse de proportion matière versus lumière. La mesure expérimentale et la modélisation du diagramme de phases de la transition de condensation a révélé la nature souvent hors d’équilibre du mécanisme de génération des condensats. Ces travaux ouvrent la porte à la réalisation de portes logiques quantiques, à base de condensats de polaritons, fonctionnant à température ambiante.

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Vue d’artiste de la cavité renfermant entre deux miroirs diélectriques, qui forment la cavité optique, une couche de ZnO portant les excitations électroniques. Les polaritons ainsi formés sont générés sous un microscope spécifique, et leur condensation est observée. Le condensat se traduit par un pic dans la distribution d’énergie et d’impulsion des polaritons.

* le LPN est un laboratoire membre du réseau CNRS-RENATECH des grandes centrales de technologie.

En savoir plus

From Excitonic to Photonic Polariton Condensate in a ZnO-Based Microcavity ,
Feng Li1, L Orosz2, O. Kamoun3, S. Bouchoule4, C. Brimont3, P. Disseix2, T. Guillet3, X. Lafosse4, M. Leroux1, J. Leymarie,2, M. Mexis3, M. Mihailovic2, G. Patriarche4, F. Réveret2, D. Solnyshkov2, J. Zuniga-Perez1, G. Malpuech 2,
Physical Review Letters, 110, 183001 (2013)

Vous pouvez consulter cet article sur la base d’archives ouvertes HAL

Contact chercheur

Jesus Zuniga-Perez, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Centre de recherche sur l’hétéroepitaxie et ses applications, CRHEA, Nice
2 Institut Pascal, Aubière
3 Laboratoire Charles Coulomb, L2C Montpellier
4 Laboratoire de photonique et de nanostructures, LPN Marcoussis

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr