Transport et localisation sous forçage et dissipation dans des réseaux d’exciton-polaritons

Transport and driven-dissipative localization in exciton-polariton lattices

• Auteur / Autrice : Bastián Maximiliano Real Elgueda
• Direction : Pierre Suret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 08/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Yan Pennec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alberto Amo Garcia, Zhigang Chen, Marzena Szymanska
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Noël Fuchs, Dmitry Krizhanovskii

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Zeeman, Effet

Localisation

Photons

Transport des photons, Théorie du

Faisceaux laser

Résonateurs optiques

Polaritons

Photonique

Mots clés libres

Réseaux photoniques

Réseau nid d'abielle

Forçage et dissipation

Effets magnétiques induits par la lumière

Photonic lattices

Exciton polaritons

Transport and localization

Honeycomb lattice

Drive and dissipation

Light-Induced magnetic effects

Résumé

La simulation des Hamiltoniens de réseaux dans les plateformes photoniques a permis de mieux comprendre les nouvelles propriétés de transport et de localisation dans le contexte de la physique de l'état solide. En particulier, les exciton-polaritons constituent un système polyvalent permettant d'étudier ces propriétés dans des réseaux avec des structures de bande intrigantes en présence de pertes et de gains, et d'interactions entre particules. Les polaritons sont des quasi-particules hybrides lumière-matière résultant du couplage fort entre les photons et les excitons dans les microcavités semi-conductrices, dont les propriétés peuvent être directement accessibles dans les expériences de photoluminescence. Dans cette thèse, nous étudions premièrement les caractéristiques des réseaux en nid d'abeille déformés, composés de résonateurs de polaritons couplés, à haut contenu photonique. Dans un réseau déformé de façon critique, nous mettons en évidence à la fois un transport semi-Dirac et une localisation anisotrope des photons. Deuxièmement, nous montrons qu'un forçage judicieux dans des réseaux de résonateurs à pertes permet l'apparition de nouveaux modes localisés. En utilisant des réseaux de polaritons sous un forçage résonant par plusieurs faisceaux optiques, nous démontrons la possibilité de localiser la lumière sur différentes géométries, voir jusqu'à un seul site. Enfin, nous profitons de l'interaction de polaritons dépendant de la polarisation pour démontrer un effet optique de type Zeeman dans un seul micropilier. En combinant le couplage spin-orbite optique, inhérent aux microstructures semi-conductrices, avec l'effet Zeeman, induit par l'interaction, nous montrons l'émission de faisceaux de vortex avec une chiralité bien définie. Cette thèse met en lumière la puissance des plateformes de polaritons pour étudier les Hamiltoniens de réseaux avec des propriétés sans précédent. Elle apporte également un premier pas vers la génération, entièrement optique, de phases topologiques dans les réseaux.

The simulation of lattice Hamiltonians in photonic platforms has been enlightening in the understanding of novel transport and localization properties in the context of solid-state physics. In particular, exciton-polaritons provide a versatile system to investigate these properties in lattices with intriguing band structures in the presence of gain and loss, and particle interactions. Polaritons are hybrid light-matter quasiparticles arising from the strong coupling between photons and excitons in semiconductor microcavities, whose properties can be directly accessed in photoluminescence experiments. In this thesis, we firstly study the features of strained honeycomb lattices made of coupled polariton resonators having high photonic content. In a critically strained lattice, we evidence both a semi-Dirac transport and an anisotropic localization of photons. Secondly, we show that a judicious driving in lattices of lossy resonators allows the appearance of novel localized modes. Using polariton lattices driven resonantly with several optical beams, we demonstrate the localization of light in at-will geometries down to a single site. Finally, we take advantage of the polarization-dependent polariton interaction to demonstrate an optical Zeeman-like effect in a single micropillar. In combination with optical spin-orbit coupling inherent to semiconductor microstructures, the interaction-induced Zeeman effect results in emission of vortex beams with a well-defined chirality. This thesis brings to light the power of polariton platforms to study lattice Hamiltonians with unprecedented properties and it also provides a first step towards the fully-optical generation of topological phases in lattices.