Des condensats de Bose de polaritons spatialement étendus.

Les physiciens savent maintenant réaliser des condensats de Bose, c’est à dire l’équivalent des ondes laser, avec des particules quantiques de natures variées. C’est notamment le cas dans les matériaux semi-conducteurs avec les « polaritons de cavité », particules hybrides associant photon et paire électron-trou. L’enjeu est la réalisation de circuits à polaritons qui ouvriraient la voie à un traitement de l’information ultrarapide et tout optique. Jusqu’à présent, le désordre présent dans les échantillons à microcavités et le temps de vie trop court des polaritons ont limité les réalisations expérimentales. Des physiciens du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (CNRS) en collaboration avec le Laboratoire des sciences et matériaux pour l’électronique et d’automatique (LASMEA – CNRS / Univ. Clermont Ferrand 2) et l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP – CNRS / UPMC) ont généré des condensats de polaritons qui s’étendent bien au-delà de la zone où ils ont été créés, tout en gardant leur cohérence spatiale. Ces condensats lumière-matière interagissent avec leur environnement, ce qui a permis à ces chercheurs de les manipuler directement par des moyens optiques.

Pour parvenir à leur fin, les chercheurs ont réalisé des microcavités à semi-conducteurs unidimensionnels : des « fils photoniques » larges de quelques micromètres, longs de 200 micromètres, dont le rôle est de confiner la partie "lumière" des polaritons. Un faisceau laser excite localement des paires électrons-trou qui, lorsqu’elles sont en nombre suffisant, condensent dans un même état quantique. Alors que jusqu’à présent ce phénomène restait localisé à la zone d’excitation, les chercheurs ont pu observer la présence de cet état quantique sur toute la longueur du film. Ils ont notamment prouvé qu’il s’agit d’un unique état quantique par une expérience d’interférences analogue à celle des trous d’Young. Les physiciens ont en outre montré que l’expansion du condensat est gouvernée par le potentiel répulsif existant entre le condensat et les paires non-condensées dans la zone d’excitation. L’utilisation de ce potentiel fournit une nouvelle méthode de contrôle de l’étendue du condensat. Ce travail a été publié dans la revue Nature Physics.

Image en microscopie électronique à balayage d’un réseau de fils photoniques dans lesquels sont générés les condensats de polaritons.

Sur la tranche des fils sont superposés en vue d’artiste des exemples de mesures de l’émission le long du fils qui montrent la formation de condensats étendus.

Distribution spatiale de l’émission mesurée sur un fils photonique.

L’image montre la formation d’un condensat étendu. Le spot laser d’excitation est positionné au voisinage de l’extrémité du fils. Du fait des interactions répulsives dans la zone d’excitation, un puits de potentiel est créé entre l’extrémité du fils et la zone d’excitation. Des condensats piégés sont directement imagés dans cette mesure. La profondeur et la taille de ce piège à condensats sont entièrement contrôlées optiquement.