Métrique Quantique et Topologie dans l’exploration de systèmes photoniques de Dirac

Quantum Metric and Topology in the exploration of photonic Dirac systems

• Auteur / Autrice : Charly Leblanc
• Direction : Dmitry Solnyshkov, Guillaume Malpuech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/10/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniele Sanvitto, Alberto Amo Garcia, Sarah Porteboeuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Päivi Törmä, Fabrice Mortessagne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dirac, Équation de

Mots clés libres

Topologie

Métrique Quantique

Tenseur Géométrique Quantique

Physique non-Hermitienne

Points de Dirac

Points exceptionnels

Équations semiclassiques

Dynamique d’un paquet d’onde

Photonique

Microcavités

Exciton-polaritons

Couplage spin-orbite

Théorie de Yang- Mills

Monocouche de semiconducteur

Zitterbewegung

Zeeman géant

Topology

Quantum Metric

Quantum Geometric Tensor

Non-Hermitian physics

Dirac points

Exceptional points

Semiclassical equations

Wavepacket dynamics

Photonics

Micro- cavities

Exciton-polaritons

Spin-orbit coupling

Yang-Mills theory

Monolayer semiconduc- tor

Zitterbewegung

Giant Zeeman

Résumé

Cette thèse est dédiée à l’étude des systèmes photoniques de Dirac, le rôle de leur topolo- gie et Métrique Quantique, et leur comportement vis-à-vis de la non-Hermiticité.Après des chapitres introductifs sur ces sujets, nous étudions d’abord les points de Dirac dans les microcavités. En excitant de manière cohérente deux bandes proche d’un point de Dirac, nous démontrons expérimentalement que le paquet d’onde polaritonique présente des oscillations de Zitterbewegung. Cet effect peut être compris avec une théorie de Yang-Mills non-Abélienne, qui couple la précession du spin à la dynamique spatiale.Ensuite, nous présentons un ancien travail, décrivant l’effet Hall anormal photonique dans le régime opposé, lorsqu’une seule bande est excitée de manière adiabatique. Après, nous démontrons que ces deux régimes peuvent être décrits dans un formalisme unique, prenant la forme d’équations semi-classiques utilisant uniquement des paramètres statiques des bandes, à savoir la dispersion et la Métrique Quantique.Suite à cela, nous présentons un travail expérimental sur un régime de couplage fort lumière-matière sélectif en spin qui se traduit par une non-linéarité optique exceptionnelle- ment forte et un effet Zeeman géant, qui permet d’ouvrir une bande interdite au point de Dirac dans les systèmes polaritoniques, et qui a des applications directes en physique topologique.Dans le dernier chapitre, nous démontrons qu’en présence de non-Hermiticité, un point de Dirac se transformera en une paire de points exceptionnels, reliés par un arc de Fermi. Nous montrons que la Métrique Quantique diverge au voisinage d’un point exceptionnel. Cette divergence permet de comprendre le comportement complexe d’un paquet d’onde centré sur ce point.Enfin, nous présentons la première extraction expérimentale de la Métrique Quantique dans un système non-Hermitien, présentant des points exceptionnels. Cette thèse se termine sur l’observation de la divergence de la Métrique Quantique aux points exceptionnels, en accord avec la théorie.

This thesis is dedicated to the study of photonic Dirac systems, the role of their associated topology and Quantum Metric, and their behavior with respect to non-Hermiticity.After introductory chapters on these subjects, we first study Dirac points in microcavi- ties. By exciting coherently two bands near a Dirac point, we experimentally demonstrate Zitterbewegung oscillations from a polariton wavepacket. The dynamics can be fully under- stood thanks to a non-Abelian Yang-Mills theory, which couple the precession of the spin to the spatial dynamics.Then we introduce a previous work, describing the photonic anomalous Hall effect in the opposite regime, when a single band is excited adiabatically. Afterwards, we demonstrate that both of these regime can be described in a single formalism, taking the form of semiclas- sical equations using only static band parameters, namely the dispersion and the Quantum Metric.Following this, we present an experimental work about a spin-selective strong light-matter coupling regime which results in unusually strong optical nonlinearity and a giant Zeeman effect, which allows to open a gap at the Dirac point in polaritonic systems, and which has direct applications in topological physics.In the last chapter, we demonstrate that in presence of non-Hermiticity, a Dirac point will transform into a pair of exceptional points, linked by a Fermi arc. We show theoretically that the Quantum Metric diverges at the vicinity of an exceptional point. This divergence allows to understand the complex behavior of a wavepacket centered at this point.Lastly, we present the first experimental extraction of the Quantum Metric in a non- Hermitian system, exhibiting exceptional points. This thesis ends with the observation of the divergence of the Quantum Metric at the vicinity of exceptional points, accordingly with the theory.