Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de photonique et d'électronique quantiques IPEQ (Laboratoire d'optoélectronique quantique LOEQ)

Spectroscopie en espace réciproque de polaritons confinés dans une microcavité semiconductrice

Idrissi Kaitouni, Reda ; Deveaud-Plédran, Benoît (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3473.

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    Summary
    Polaritons are hybrid quasi-particles made of photons and excitons. They represent the fundamental electronic excitations of an insulator interacting with the electromagnetic field. In planar semiconductor microcavities, polaritons are confined along one spatial direction and can be described as two-dimensional quasi-particles possessing a very light effective mass of the order of 10-5 times the free electron mass. Their spatial confinement in the two lateral directions is a challenging task because of the large group velocity. On the other hand, spatial trapping would be beneficial for the long sought phenomenon of polariton Bose-Einstein Condensation, as it proved to be for BEC of alkali atoms. Here, we report on the first realization of a spatial trap for polaritons through local variations of a microcavity thickness, within micrometer sized circular regions. Due to their very light mass, confined polaritons display quantized energy levels that are delocalized in reciprocal space, already when trapped within a spatial region of several microns. We characterize these levels using angle-resolved emission spectroscopy and in comparison with a theoretical model. This novel structure proves very effective in producing spatial confinement and opens the way for the realization of mesoscopic devices showing quantum collective phenomena.
    Résumé
    Les polaritons sont des quasi-particules constituées de photons et d'excitons. Ils représentent l'excitation électronique fondamentale d'un cristal en interaction avec le champ électromagnétique. Dans des microcavités semiconductrices, les polaritons sont confinés dans une direction de l'espace, et peuvent être décrits comme des quasi-particules bidimensionnelles de faible masse effective — 10-5 fois la masse de l'électron libre. Par le fait de leur grande vitesse de groupe, leur confinement spatial s'impose comme un défi pour leur étude. Par ailleurs, les piéger spatialement serait de tout bénéfice pour l'observation de la condensation de Bose-Einstein des polaritons telle que déjà réalisée pour les atomes alcalins. Dans ce travail de thèse, nous rapportons la première conception d'un piège spatial pour les polaritons, au moyen de petites variations circulaires, et micrométriques, de l'épaisseur d'une microcavité. À cause de leur légère masse, les polaritons confinés manifestent des niveaux d'énergies quantifiées qui sont délocalisées dans l'espace réciproque, et ceci, pour des dimensions de confinement de plusieurs microns. Nous avons étudié ces différents états discrets de polariton grâce à une expérience de photoluminescence résolue en angle et en énergie. L'élaboration d'un modèle théorique permet de donner à l'interprétation des résultats expérimentaux une plus grande acuité. Cette nouvelle structure est très efficace pour le confinement spatial, et ouvre de nombreuses perspectives à la fabrication de microdispositifs usants de nouvelles propriétés physiques telles que les phénomènes collectifs.