Electronic transport in the strong light-matter coupling regime for mid-infrared quantum devices
Transport électronique en régime de couplage fort lumière-matière pour les dispositifs quantiques moyen-infrarouge
Résumé
This research work focuses on the study of electronic transport in intersubband photodetectors (infrared, 10 µm) in different intensity regimes of light-matter coupling. For the weak coupling regime, where the light and matter quanta are electrons and photons, this manuscript presents the extensive theoretical description of the operation of one particular inter-subband device, the quantum cascade detector (QCD). A design and optimization process of this device is presented in detail, from the dimensioning of the electromagnetic environment to the design of the active region. For the strong coupling regime, the light-matter interaction becomes so intense that new quasiparticles, the polaritons, appear. These hybrid light-matter particles, initially discovered in excitonic semiconductor systems, have since been widely studied and demonstrated in other fields, in particular inter-subband polaritons. Despite many unique quantum properties (stimulated emission, Bose-Einstein condensation), there are very few application devices based on polaritons today. In this research work, a model of electronic transport in quantum cascade detectors in the strong coupling regime is proposed. We present different modeling strategies, of increasing complexity, whose differences are extensively studied and discussed. These different models highlight the profound changes that strong coupling brings to the optical and photoelectric properties of these devices. By comparing these modeling works with experimental data sets, we demonstrate in particular the possibility to design a resonant and selective extraction of excitations from polaritonic states to the electronic levels of the QCD cascade. This work creates application perspectives for inter-subband devices operating in a strong light-matter coupling regime and reinforces the long-term goal of implementing the reverse process, i.e., efficient electrical injection into light-emitting polaritonic devices.
Ce travail de recherche se focalise sur l'étude du transport électronique dans les photo-détecteurs intersousbandes (infrarouge, 10 µm) dans différents régimes d'intensité de couplage lumière-matière. Pour le régime de couplage faible, où les quanta de lumière et de matière sont les électrons et photons, ce manuscrit présente la description théorique extensive du fonctionnement d'un dispositif inter-sousbande en particulier, le détecteur à cascade quantique (QCD). Un procédé de conception et d'optimisation de ce dispositif est présenté en détail, du dimensionnement de l'environnement électromagnétique à la conception de la zone active. Pour le régime de couplage fort, l'interaction lumière-matière devient si intense que de nouvelles quasi-particules, les polaritons, apparaissent. Ces particules hybrides mi-matière mi-lumière, initialement découvertes dans les systèmes semiconducteurs excitoniques, ont depuis été largement étudiées et démontrées dans d'autres domaines, en particulier les polaritons inter-sousbandes. Malgré de nombreuses propriétés quantiques uniques (émission stimulée, condensation de Bose-Einstein), il n'existe aujourd'hui que très peu de dispositifs applicatifs fondés sur les polaritons. Dans ce travail de recherche, on propose une modélisation du transport électronique dans les détecteurs à cascade quantique en régime de couplage fort. On présente différentes stratégies de modélisation, de complexité croissance, dont les différences sont extensivement étudiées et discutées. Ces différents modèles mettent en évidence les modifications profondes qu'engendrent le couplage fort sur les propriétés optiques et photo-électriques de ces dispositifs. En comparant ces travaux de modélisation avec des jeux de données expérimentaux, on démontre en particulier la possibilité de concevoir une extraction résonnante et sélective d'excitations depuis les états polaritoniques vers la cascade de niveaux électroniques d'un QCD. Ce travail crée des perspectives d'application pour les dispositifs inter-sousbandes fonctionnant dans un régime de couplage fort lumière-matière et renforce l'objectif de long terme de mettre en œuvre le processus inverse, c'est-à-dire l'injection électrique efficace dans des dispositifs polaritoniques émetteurs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)