Transition de Phase quantique superradiante

Superradiant Quantum Phase Transition

• Auteur / Autrice : Guillaume Manzanares
• Direction : Thierry Champel, Denis Basko
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique et de Modélisation des Milieux Condensés

Mots clés

Mots clés libres

Couplage lumière-matière

Effet Hall quantique

Electrodynamique quantique en cavité

Physique théorique

Transition de phase

Cavity quantum electrodynamics

Quantum Hall effect

Phase transition.

Theoretical physics

Light-matter coupling

Résumé

L'électrodynamique quantique en cavité s'est considérablement développée récemment grâce à l'avancement des technologies de fabrication. Parmi les modèles paradigmatiques de l'électrodynamique quantique en cavité, le modèle de Dicke, qui décrit le couplage de N atomes au même mode de cavité peut donner lieu, sous certaines conditions, à la transition de phase quantique dite « superradiante » [1]. Cette transition est prédite pour une valeur du couplage lumière-matière relativement élevée, mais qui a été atteinte dans certains systèmes ces cinq dernières années, comme les circuits supraconducteurs et les polaritons de Landau [2,3]. Mais alors même que la technologie est mûre, la transition superradiante n'a jamais encore été observée à l'équilibre thermodynamique. Car l'observation de la phase « superradiante » requiert aussi une énergie diamagnétique inférieure à un certain seuil [4]. Très récemment, nous avons découvert dans notre laboratoire LPMMC (CNRS-UGA) Grenoble, que le couplage spin-orbite de Rashba pouvait permettre aux polaritons de Landau, système hybride constitué d'un gaz d'électrons bidimensionnel sous champ magnétique perpendiculaire et de photons d'une cavité résonante, de subir la transition superradiante [5]. Nous proposons dans ce projet de thèse de développer cette thématique novatrice en étudiant les conditions d'apparition de la phase superradiante dans les polaritons de Landau. Par son étude théorique approfondie, le (la) doctorant(e) considérera les ingrédients physiques non étudiés jusqu'alors (couplage Zeeman, interaction Coulombienne, désordre, couplage multibande) afin d'orienter au mieux les expérimentateurs. Le travail proposé sera effectué en collaboration avec D. Basko et T. Champel. Le (La) doctorant(e) aura alors le maximum de chances d'être à l'origine et à l'inspiration de la première expérience réalisant la transition de phase superradiante à l'équilibre. Références bibliographiques : [1] C. Emary and T. Brandes, PRE, 67, 066203 (2003). [2] D. Hagenmuller, S. De Liberato, and C. Ciuti, PRB, 81, 235303 (2010). [3] G. Scalari et al., Science, 335, 1323 (2012). [4] P. Nataf and C. Ciuti, Nat. Comm., 1, 72 (2010). [5] P. Nataf, T. Champel, G. Blatter and D. Basko, PRL, 123, 207402 (2019).

Cavity quantum electrodynamics has considerably developed recently thanks to the technological progress. Among the paradigmatic models of cavity quantum electrodynamics, the Dicke model, which describes the coupling of N atoms to the same cavity mode, can give rise, under some conditions, to the « superradiant » quantum phase transition [1]. Such a transition is predicted for a relatively high value of the light-matter coupling, which has actually been reached in the last five years in some systems, such as superconducting circuits and Landau polaritons [2,3]. But while the technology is ready, the superradiant phase transition has never been observed at equilibrium. Indeed the observation of the « superradiant » phase requires also a diamagnetic energy smaller than a given threshold [4]. Very recently, in our laboratory LPMMC (CNRS-UGA) Grenoble, we have discovered that the Rashba spinorbit coupling could allow the Landau polaritons, which are a mixed system made of a two-dimensional electron gas under a perpendicular magnetic field and the photons of a resonating cavity, to undergo the superradiant transition [5]. We propose in this PHD projet to develop this new topic by studying the conditions of occurence of the superradiant phase in Landau polaritons. Through a deep theoretical study, the PHD student will consider some possible additional physical ingredients (Zeeman coupling, Coulomb interaction, disorder, multi band coupling) in order to guide the experimentalists. The proposed work will be achieved in collaboration with D. Basko et T. Champel. The PHD student will then have the highest chance to be the source and to inspire the first experiment realizing the superradiant quantum phase transition at equilibrium. Bibliography : [1] C. Emary and T. Brandes, PRE, 67, 066203 (2003). [2] D. Hagenmüller, S. De Liberato, and C. Ciuti, PRB, 81, 235303 (2010). [3] G. Scalari et al., Science, 335, 1323 (2012). [4] P. Nataf and C. Ciuti, Nat. Comm., 1, 72 (2010). [5] P. Nataf, T. Champel, G. Blatter and D. Basko, PRL, 123, 207402 (2019).