Effets du couplage fort lumière-matière sur les systèmes désordonnés ou topologiques unidimensionnels

Disorder and topology in strongly coupled light-matter systems

• Auteur / Autrice : Thomas Allard
• Direction : Guillaume Weick
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 27/09/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Noël Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paloma Arroyo Huidobro, Cyriaque Genet, David Hagenmuller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Noël Fuchs, Denis Basko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Transitions de phases

Ordre et désordre (physique)

Mots clés libres

Couplage fort lumière-matière

Polaritons

Localisation d'Anderson

Phases topologiques de la matière

Modèle de Su-Schrieffer-Heeger

Strong light-matter coupling

Polaritons

Anderson localization

, topological phases of matter

Su-Schrieffer-Heeger model

Résumé

Cette thèse explore sur le plan théorique l'influence du couplage fort lumière-matière sur deux domaines majeurs de la physique de la matière condensée : les systèmes désordonnés et les phases topologiques de la matière. Nous y étudions le couplage fort entre une cavité optique multimode et, d’abord, une chaîne d'émetteurs dipolaires désordonnée, puis, une chaîne topologique d'émetteurs dipolaires. Dans les deux cas, nous révélons un impact considérable du couplage fort lumière-matière sur les propriétés du système. En étudiant une chaîne désordonnée, nous révélons entre autres que l'augmentation du désordre conduit les états sombres du système à acquérir une partie photonique leur permettant d'hériter de caractéristiques de transport polaritoniques à longue portée. En considérant une chaîne topologique dite de Su-Schrieffer-Heeger, nous révélons notamment l'hybridation des états de bord en états de bord polaritoniques présentant des propriétés de transport bord-à-bord efficaces.

This thesis explores theoretically the fate of Anderson localization, as well as of topological phases of matter, in the strong light-matter coupling regime. We analyze the properties of one-dimensional systems made of dipolar emitters strongly-coupled to a multimode optical cavity. By studying a disordered chain of emitters, we find notably that, in the strong-coupling regime, increasing disorder leads almost uncoupled dark states to acquire a photonic part, allowing them to inherit polaritonic long-range transport characteristics. Investigating a dimerized chain of emitters, we study a variation of the Su-Schrieffer-Heeger model of polyacetylene, with the addition of an effective, cavity-induced, dipole-dipole coupling. We unveil the hybridization of the original topological edge states into polaritonic edge states that present unusual properties, such as efficient edge-to-edge transport characteristics.