Electrodynamique quantique en cavité d'un système d'électrons bidimensionnel sous champ magnétique

• Auteur / Autrice : David Hagenmuller
• Direction : Cristiano Ciuti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons

Ondes cyclotron

Géomagnétisme

Semiconducteurs

Graphène

Électrodynamique quantique

Résumé

Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons au couplage entre le champ électromagnétique quantifi au sein d'un résonateur optique et la transition cyclotron d'un gaz d'électrons bidimensionnel soumis à un champ magnétique perpendiculaire. Nous montrons que ce système peut atteindre un régime de couplage ultrafort inédit, dans lequel la fréquence de Rabi du vide (quantifiant l'intensité de l'interaction lumière-matière) devient comparable ou plus grande que la fréquence de la transition cyclotron pour des facteurs de remplissage suffisamment élevés. Nos prédictions théoriques ont alors donné lieu à une vérification expérimentale spectaculaire. En outre, nous avons généralisé la théorie au cas du graphène dont les excitations de basse énergie sont convenablement décrites par un hamiltonien de Dirac sans masse. Nous montrons que si le couplage ultrafort peut également être atteint dans ce cas, des différences qualitatives importantes apparaissent par rapport au cas des fermions massifs du semiconducteur.

In this thesis manuscript, we present a theory describing the coupling between the quantized electromagnetic field of a cavity resonator and the cyclotron transition between Landau levels in a two¬dimensional electron gas in presence of a perpendicular magnetic field. We show that such a system can reach an unprecedented ultrastrong coupling regime, where the vacuum Rabi frequency (quantifying the strength of the light-matter interaction) can be comparable or bigger than the cyclotron transition frequency for large enough filling factor. Our theoretical predictions have been demonstrated by spectacular experimental results. Moreover, we have generalized the theory to the case of graphene, whose low-energy excitations are described by a massless Dirac Hamiltonian. We show that the ultrastrong coupling can be also achieved for graphene, leading to strong qualitative differences with respect te the case of massive fermions in a semiconductor.