Thèse soutenue

Nouveaux concepts d'émetteurs polaritoniques dans les gammes spectrales du moyen-infrarouge et THz
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Auteur / Autrice : Paul Goulain
Direction : Raffaele Colombelli
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
Date : Soutenance le 01/04/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
Jury : Président / Présidente : Aristide Lemaître
Examinateurs / Examinatrices : Karl Unterrainer, Aloyse Degiron, Eva Monroy
Rapporteurs / Rapporteuses : Karl Unterrainer, Aloyse Degiron

Résumé

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Le moyen infrarouge et le terahetz sont des bandes de fréquences du spectre électromagnétique dont le domaine applicatif a vu une croissance importante ces dernières années, aussi bien pour les télécommunications que pour les sciences environnementale et médicale.Cet intérêt pousse la demande pour des sources et des détecteurs toujours plus compactes et efficaces.Dans cette optique, la mise au point de sources de photons cohérents utilisant le régime de couplage fort lumière-matière est une voie prometteuse. Deux axes d'étude de telles sources seront explorés dans cette thèse.Dans un premier temps, une nouvelle approche pour obtenir de l'émission de photon dans le moyen infrarouge par le biais du pompage optique résonant de polaritons intersousbandes a été étudié.Ce type d'émission spontanée se base sur l'utilisation de cavités non-dispersives, permettant en principe d'augmenter le taux de diffusion phonons-polaritons et donc d'atteindre plus facilement l'intensité seuil de l'émission cohérente.La démonstration de l'émission de photon dans cette configuration ouvre la possibilité d'explorer cette émission dans le cadre d'un régime de diffusion stimulé en peuplant l'état final du système par le biais d'un faisceau de sonde.Dans un second temps, l'attention sera été portée sur le domaine du THz.Afin de contourner la limitation thermique imposée par la faible énergie des transition THz, des puits quantiques paraboliques interdigités peuvent être utilisés afin d'obtenir une absorption résonante jusqu'à 300K.Pour s'affranchir de l'élargissement qu'introduit la multiplication des interfaces, des puits à gradient d'alliage ont été mis au point en collaboration avec l'université de Waterloo, Canada.Ce design a permis d'obtenir des transition THz de très haute qualité et une amélioration de la température d'opération du régime de couplage fort de 170K.Une particularité des polaritons intersousbandes est la possibilité d'obtenir une constante de couplage élevée par le biais du dopage du semiconducteur.Par conséquent, ces polaritons ont été une plateforme de choix pour la démonstration du régime de couplage ultra-fort, régime dans lequel le niveau fondamental du système se peuple d'une population de photons virtuels non négligeables.Des études théoriques ont prédit qu'une modulation non-adiabatique de l'état fondamental du système, c'est-à-dire sur une échelle de temps plus faible que le temps de vie des polaritons, ce réservoir de lumière peut être accédé.Il est alors possible de voir ces photons virtuels être émis sous forme de photons réels.Pour explorer cet effet, des cavités LC tridimensionnelles ont été fonctionnalisées afin d'obtenir la commutation ultra-rapide de leur fréquence de résonance.Leur développement et caractérisation par spectroscopie THz résolue en temps seront présentés. Par l'utilisation de GaAs épitaxié à basse température, des temps de modulation sous la picoseconde ont été atteints.Enfin, la combinaison de ces interrupteurs ultrarapides avec des puits quantiques paraboliques à gradient d'alliage a permis l'obtention d'un régime de couplage fort lumière-matière entre ces derniers.