Cavity quantum electrodynamics and intersubband polaritonics of a two dimensional electron gas
Résumé
The history of cavity quantum electrodynamics, the study of light-matter interaction in quantum confined geometries, started when Purcell noted that the spontaneous emission rate of an excited atom can be changed by adjusting the boundary conditions of the electromagnetic field with properly engineered cavities. Since then, ever-growing atom-cavity couplings and cavity quality factors lead eventually to systems in which the photon lifetime inside the cavity was substantially bigger than the spontaneous emission rate. The first experiences in this regime, named strong coupling regime, were performed with Rydberg atoms in superconducting cavities. Strong coupling regime was then achieved in solid-state systems, using quantum well excitons in microcavities, Cooper pair boxes in superconducting circuits or intersubband transitions in microcavity embedded quantum wells.
In this last system, in the strong coupling regime, the low lying excitations are mixed light-matter excitations, named intersubband polaritons.
My thesis studies various aspect of the physics of these excitations.
The manuscript consists of five chapters. Chapter 1 serves as a general introduction and reference. Chapter 2 presents a comprehensive quantum Langevin theory predicting the quantum vacuum radiation induced by the non-adiabatic modulation of the light-matter coupling. Chapters 3 and 4 present a general theory to describe the influence of intersubband polaritons on electron transport and electroluminescence. Finally Chapter 5 shows how it is possible to exploit the peculiar properties of intersubband polaritons in order to obtain a new kind of inversionless laser.
In this last system, in the strong coupling regime, the low lying excitations are mixed light-matter excitations, named intersubband polaritons.
My thesis studies various aspect of the physics of these excitations.
The manuscript consists of five chapters. Chapter 1 serves as a general introduction and reference. Chapter 2 presents a comprehensive quantum Langevin theory predicting the quantum vacuum radiation induced by the non-adiabatic modulation of the light-matter coupling. Chapters 3 and 4 present a general theory to describe the influence of intersubband polaritons on electron transport and electroluminescence. Finally Chapter 5 shows how it is possible to exploit the peculiar properties of intersubband polaritons in order to obtain a new kind of inversionless laser.
L'électrodynamique quantique en cavité, c'est-à-dire l'étude du couplage lumière-matière en géométries confinées, a permis d'observer, grâce à des cavités de plus en plus performantes, le régime de couplage fort lumière-matière.
Dans ce régime, le temps de vie d'un photon est plus long que le temps caractéristique de l'interaction avec la matière ; un seul photon subit donc plusieurs cycles d'absorption et de réémission avant de s'échapper de la cavité.
Les premières expériences dans ce régime, effectuées avec des atomes dans des cavités supraconductrices, ont été suivies par des réalisations en matière condensée, utilisant des excitons dans des microcavités planaires, des boites de Cooper couplées à des résonateurs unidimensionnels ou bien des transitions intersousbandes dans des puits quantiques dopés, couplées à un mode de microcavité. Le couplage fort dans ce dernier système donne naissance à des excitations mixtes, moitié lumière et moitié matière, nommées polaritons intersousbandes.
Ma thèse s'attache à plusieurs aspects de la physique de ces excitations, qui se caractérisent par la force extrême du couplage, qui a poussé les chercheurs à introduire le terme couplage ultra-fort.
Dans la première partie de ma thèse, après avoir donné un aperçu général des différents concepts théoriques engagés, j'étudie les conséquences de ce couplage ultra-fort en présence d'une modulation externe appliquée au système. Je montre, en utilisant une théorie de Langevin quantique, qu'une radiation peut être émise à partir du vide, effet qui rappelle de près l'effet Casimir dynamique. L'intensité de cette radiation est assez forte pour pouvoir être mesurée et je reporte ici les résultats de deux expériences préliminaires menées en vue de l'observation d'un tel effet, auxquelles j'ai participé pour la partie théorique.
J'étudie ensuite la manière dont le couplage fort lumière-matière peut influencer le transport électronique et les expériences d'électroluminescence. Dans ce but j'ai développé des méthodes analytiques et numériques que j'ai exploitées pour montrer qu'il est possible d'augmenter grandement l'efficacité quantique des LEDs basées sur des transitions intersousbandes. J'ai aussi donné une première preuve d'extension de l'effet Purcell au régime de couplage fort.
Enfin, dans ma dernière partie, j'ai développé la théorie du scattering stimulé entre polaritons intersousbandes dû au couplage avec des phonons optiques. Je montre que ce mécanisme peut être exploité afin d'obtenir des lasers sans inversion de population avec un seuil extrêmement bas.
Dans ce régime, le temps de vie d'un photon est plus long que le temps caractéristique de l'interaction avec la matière ; un seul photon subit donc plusieurs cycles d'absorption et de réémission avant de s'échapper de la cavité.
Les premières expériences dans ce régime, effectuées avec des atomes dans des cavités supraconductrices, ont été suivies par des réalisations en matière condensée, utilisant des excitons dans des microcavités planaires, des boites de Cooper couplées à des résonateurs unidimensionnels ou bien des transitions intersousbandes dans des puits quantiques dopés, couplées à un mode de microcavité. Le couplage fort dans ce dernier système donne naissance à des excitations mixtes, moitié lumière et moitié matière, nommées polaritons intersousbandes.
Ma thèse s'attache à plusieurs aspects de la physique de ces excitations, qui se caractérisent par la force extrême du couplage, qui a poussé les chercheurs à introduire le terme couplage ultra-fort.
Dans la première partie de ma thèse, après avoir donné un aperçu général des différents concepts théoriques engagés, j'étudie les conséquences de ce couplage ultra-fort en présence d'une modulation externe appliquée au système. Je montre, en utilisant une théorie de Langevin quantique, qu'une radiation peut être émise à partir du vide, effet qui rappelle de près l'effet Casimir dynamique. L'intensité de cette radiation est assez forte pour pouvoir être mesurée et je reporte ici les résultats de deux expériences préliminaires menées en vue de l'observation d'un tel effet, auxquelles j'ai participé pour la partie théorique.
J'étudie ensuite la manière dont le couplage fort lumière-matière peut influencer le transport électronique et les expériences d'électroluminescence. Dans ce but j'ai développé des méthodes analytiques et numériques que j'ai exploitées pour montrer qu'il est possible d'augmenter grandement l'efficacité quantique des LEDs basées sur des transitions intersousbandes. J'ai aussi donné une première preuve d'extension de l'effet Purcell au régime de couplage fort.
Enfin, dans ma dernière partie, j'ai développé la théorie du scattering stimulé entre polaritons intersousbandes dû au couplage avec des phonons optiques. Je montre que ce mécanisme peut être exploité afin d'obtenir des lasers sans inversion de population avec un seuil extrêmement bas.
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