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Université Joseph-Fourier - Grenoble I (15/12/2009), Jean-Philippe Poizat (Dir.)
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Munsch_Mathieu_-_these_2009.pdf(19 MB)
Étude du régime de Purcell pour une boîte quantique unique dans une microcavité semiconductrice. Vers une non-linéarité optique géante.
Mathieu Munsch1

L'électrodynamique quantique en cavité (EDQC) étudie l'interaction matière rayonnement à son niveau le plus fondamental, ie lorque la matière est bien décrite par un système à deux niveaux, et la lumière par un mode unique du champ électromagnétique. Les premiers eets d'EDQC ont été observés dans le début des années 80 pour des systèmes de physique atomique. Avec le développement des techniques de micro et nano-fabrication, l'eet Purcell, puis le couplage fort, ont également pu être observés pour des atomes articiels couplés à des cavités semiconductrices. Ces systèmes présentent les avantages d'être potentiellement intégrables sur un circuit et réalisables à grande échelle. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semiconductrices (BQ) sont des candidats particulièrement prometteurs. Cependant, à cause de la présence d'une matrice environnante, source intrinsèque de décohérence, ces systèmes s'écartent du paradigme de la physique atomique. Dans le cas des BQs en particulier, ce couplage peut être important et modier les observations de manière singulière. On se propose ici d'étudier la mesure du facteur de Purcell, qui est un des facteurs de mé- rite de l'EDQC, pour une BQ dans une cavité de type micropilier. Diérentes approches seront présentées et comparées entre elles, qui tiennent compte de la spécicité des BQ, et montrent que l'utilisation d'un modèle plus n est nécessaire pour interpréter les résultats obtenus. En- n, le dernier chapitre est consacré à une application intéressante de ce type de système, qui consiste à utiliser la saturation de la boîte quantique pour réaliser une non-linéarité optique à l'échelle du photon unique.
1:  NEEL - Institut Néel
Electrodynamique quantique en cavité – boîtes quantiques semiconductrices – microcavités – effet Purcell – non-linéarité optique

Study of the Purcell regime for a single quantum dot embedded in a semiconducting microcavity. Towards a giant optical non-linearity.
Cavity Quantum Electrodynamics (CQED) studies the light-matter interaction at the most fundamental level, ie when matter is well described by a two-level system and when light can be reduced to a single mode of the electromagnetic eld. The rst eects of CQED have been demonstrated in the 80ies in the eld of atomic physics. Thanks to impressive progress in micro and nanoscale fabrication techniques, Purcell eect and strong coupling could be reached for articial atoms coupled to semiconducting cavities during the past decade. Those systems are interesting for their high scalability and their potential for on-chip realisation. Within this context, semiconducting quantum dots (QD) are very promising candidates. However, due to the solid surrounding matrix, which is a source of decoherence, those systems diverge from the paradigm of atomic physics. For QDs in particular, this coupling can be important and thus highly modies the results. We propose here to study the measurement of the Purcell factor, which is an important factor of merit for CQED, in the case of a QD embedded in a micropillar type cavity. Several approaches are presented, which are compared to one-another, and which take into account the specicities of QDs. We show that the use of a more precise model is necessary to interpret the obtained results. The last chapter is devoted to an interesting application for this type of systems which consists in using the saturation of the quantum dot to implement a optical non-linearity at the single photon level.
Quantum electrodynamics – semiconducting quantum dots – microcavities – Purcell effect – optical non-linearity.

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