Thèse en cours

Optique quantique dans des réseaux de microcavités couplées
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Auteur / Autrice : Martin Guillot
Direction : Jacqueline Bloch
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Physique
Date : Inscription en doctorat le 01/01/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
Equipe de recherche : Photonique_
référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

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Résumé

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Les matériaux à fortes corrélations quantiques sont le siège de phénomènes physiques fascinants, comme la supraconductivité à haute température critique, le magnétisme quantique ou l'effet Hall quantique fractionnaire. Le projet de thèse s'inscrit dans une démarche qui cherche à s'inspirer de la matière quantique afin de générer et de manipuler des états quantiques fortement corrélés de la lumière dans des matériaux synthétiques, dans le but de les utiliser comme une ressource pour la science fondamentale et pour les technologies quantiques. Le (la) candidat(e) se concentrera sur l'étude de matériaux artificiels photoniques à l'état solide, qui présentent l'avantage d'être compacts, intégrables et d'être basés sur le contrôle et la manipulation de photons à l'aide des outils traditionnels de la spectroscopie optique et de l'optique quantique. Cependant, des obstacles importants subsistent en vue de l'implémentation d'états quantiques à N-photons dans les plateformes conventionnelles de l'optique non-linéaire : (i) d'une part, les systèmes non-linéaires permettant de générer aisément des corrélations quantiques avec un « atome artificiel » unique (ex : boîte quantique 0D), ne sont pas généralisables à N atomes artificiels à cause des inhomogénéités inhérentes à ces systèmes 0D. (ii) d'autre part, les matériaux disponibles à ce jour pour implémenter des dispositifs homogènes à plus grande échelle (ex : puits quantiques 2D) souffrent d'interactions entre photons (non linéarités) trop faibles pour parvenir à générer des états quantiques fortement corrélés. Au cours de la thèse, le (la) candidat(e) travaillera sur l'une des plateformes les plus prometteuses à l'heure actuelle pour la réalisation de matériaux synthétiques photoniques : les polaritons d'excitons dans des microcavités semi-conductrices (AlAs/GaAs). Les polaritons sont des quasi-particules qui résultent du couplage fort entre excitons d'un puits quantique semiconducteur et photons au sein d'une microcavité optique. Le caractère mi-lumière mi-matière des polaritons leur confère des propriétés tout à fait particulières permettant de combiner les avantages d'une plateforme photonique tout en exacerbant les non-linéarités grâce aux interactions entre excitons. Ce sont ces propriétés qui ont notamment rendu possibles les démonstrations de la condensation de Bose-Einstein ou encore du comportement superfluide de la lumière. Notre groupe au C2N a développé une technologie à l'état de l'art permettant de synthétiser en salle blanche des matériaux artificiels constitués de réseaux de microcavités à polaritons. Toutes les expériences réalisées jusqu'à présent avec les polaritons d'excitons, à quelques exceptions près, peuvent-être décrites dans le cadre de théories en champ moyen (physique à une particule où l'on néglige les fluctuations). Notons qu'à ce jour, les mesures de corrélations du second ordre pour les polaritons donnent une valeur à l'état de l'art de g(2)(0) = 0.95, ce qui représente des corrélations quantiques très modérées. Cela est notamment dû au fait que la valeur des interactions obtenues à ce jour (U ≈ 1 μeV) est trop faible par rapport à la largeur de raie des polaritons (γ ≈ 10 μeV) pour permettre d'isoler un système à deux niveaux dans l'échelle des excitations du système, et atteindre ainsi le régime quantique. L'objectif de la thèse sera d'atteindre le régime quantique avec des polaritons. Pour cela, le (la) candidat(e) développera dans un premier temps une nouvelle technique de caractérisation des interactions entre polaritons basée sur l'utilisation de transitions à deux photons pour exciter le système. Sur un micropilier unique, il étudiera ensuite de nouveau matériaux actifs spécialement conçus pour augmenter les interactions et démontrera ainsi le phénomène de « blocage de polaritons » (U/γ > 1). La signature recherchée sera l'observation du phénomène de dégroupement de photons (g(2)(0) < 0.5) dans la statistique de la lumière transmise. Finalement, sur des systèmes de piliers couplés le (la) candidat(e) étudiera les corrélations spatio-temporelles des photons émis et leur connexion au magnétisme quantique et à la simulation quantique.