Chiralité et dynamique non-linéaire dans les microcavités à polaritons

Chirality and nonlinear dynamics in polariton microresonators

• Auteur / Autrice : Nicola Carlon Zambon
• Direction : Jacqueline Bloch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 12/03/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Greffet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Favero, Natalia G. Berloff, Atac Imamoglu, Alessandro Tredicucci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivan Favero, Natalia G. Berloff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Microstructure (physique)

Liquides quantiques

Optique non linéaire

Polaritons

Mots clés libres

Polaritons de cavité

Fluides quantiques

Non-linéarité

Microstructures

Spectroscopie optique

Cavity polaritons

Quantum fluids

Nonlinearity

Microstructures

Optical spectroscopy

Résumé

Les microcavités en semiconducteurs, définis par une cavité Fabry Pérot planaire contenant un puits quantique, permettent de confiner fortement à la fois la lumière et les excitations électroniques. Dans ces hétérostructures, la lumière et la matière interagissent si fortement que les excitations fondamentales du système sont décrites par des quasi-particules hybrides lumière-matière appelées polaritons excitoniques. Les polaritons héritent les propriétés de leurs deux constituants élémentaires : la partie photonique peut être structurée spatialement en sculptant à l’échelle micrométrique l’indice de réfraction du matériau par lithographie et gravure ; la composante excitonique donne au système une très forte non-linéarité Kerr. Dans cette thèse, nous avons utilisé ces deux propriétés pour réaliser une ingénierie du mode photonique grâce à des micropiliers couplés, et sonder plusieurs facettes de leurs propriétés non-linéaires. Dans une première partie du travail, nous étudions des microcavités couplées disposées en anneau. Tirant profit d’un couplage spin-orbite synthétique et de la possibilité de polariser en spin le gain optique, nous avons démontré une émission laser dans des modes présentant un moment orbital angulaire (OAM) fini, dont la chiralité peut être contrôlée optiquement. De plus, nous mettons en évidence un comportement bistable original du microlaser, qui implique des modes présentant des valeurs différentes du OAM ainsi que des textures de polarisation différentes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous explorons la dynamique non-linéaire du système sous pompage cohérent. Nous déclenchons une instabilité paramétrique dans des résonateurs couplés, et analysons en détails le mécanisme physique sous-jacent. Dans le régime instable, nous observons l’établissement d’oscillations paramétriques qui donnent lieu à des bandes latérales très brillantes et contrastées dans le spectre d’émission. Enfin dans la dernière partie du travail, nous étudions un régime de métastabilité optique dans un résonateur fortement non-linéaire. Ce régime se manifeste par l’apparition de sauts aléatoires entre deux valeurs du nombre moyen de photons dans le résonateur. Pour certaines conditions de pompage, nous observons un ralentissement critique de la dynamique métastable, signature d’une transition de phase dissipative. Par des expériences d’hystérésis dynamique, nous évaluons les exposants critiques de cette transition de phase. Finalement, nous proposons une correspondance (“mapping”) entre la dynamique métastable d’un résonateur Kerr, et les renversements aléatoires dans le temps d’un bit logique. Nous pouvons alors définir et mesurer la production d’entropie lors d’une trajectoire unique d’une expérience d’hystérésis dynamique. Ces mesures nous ont permis de valider, dans le cadre de cette correspondance, le théorème intégral de fluctuations pour la production d’entropie hors équilibre. Ce travail couvre une grande variété de sujets, d’aspects les plus fondamentaux de la dynamique non linéaire dans un système photonique, à des idées innovantes pour réaliser des dispositifs photoniques, qui pourraient dans le futur être optimisés pour un fonctionnement à température ambiante.

Semiconductor microcavities, defined by a planar Fabry-Perot cavity embedding a quantum well, allow tightly confining both optical and electronic excitations. In these heterostructures, light and matter interact so rapidly that the fundamental excitations of the system can be effectively described as hybrid light-matter quasiparticles, called exciton-polaritons. Polaritons inherit properties from both their elementary constituents: the photonic modes can be tailored by molding the refractive index landscape via dry etching processing, while the excitonic component endows the system with a large Kerr nonlinearity. In this thesis, we take advantage of these two key features to engineer the photon modes using coupled micropillar resonators, and probe diverse non-linear phenomena. In the first part of this work, we consider coupled microcavities arranged in a ring geometry. Harnessing an analogue spin-orbit coupling and the ability to spin-polarize the optical gain, we demonstrate lasing in modes carrying a net orbital angular momentum (OAM), with a chirality which can be optically controlled. In addition, we evidence a bistable behaviour of the microlaser, involving modes presenting distinct OAM values and polarization patterns. In the second part of the thesis, we concentrate on the nonlinear dynamics of the system under resonant pumping. We trigger a parametric instability in coupled nonlinear resonator, and investigate the underlying mechanism. In the unstable regime, we observe the onset of sustained parametric oscillations, which presence is revealed by the appearance of bright and contrasted sidebands in the emission spectrum. In the last part of the thesis, we investigate the optical metastability a highly nonlinear single micropillar cavity, which manifests in stochastic jumps of the cavity occupation between the two -otherwise stable- branches of the classical bistability. For specific driving conditions, we observe a critical slowing down of the metastable dynamics, which is associated to the onset of a dissipative phase transition. Using a scaling analysis involving dynamical hysteresis experiments, we retrieve the critical exponents of the phase transition. Finally, we propose a mapping of the metastable dynamics of a Kerr resonator onto a logical bit subject to random bit-flip events. We can define and measure the entropy production at a single trajectory level during dynamical hysteresis experiments. These measurements allow validating an integral fluctuation theorem for the non-equilibrium entropy production. This work covers a variety of topics, from fundamental non-linear dynamics in a photonic system, to novel ideas for realizing optical devices, which could eventually operate at room temperature.