Semiconductor quantum plasmonics
Plasmonique quantique sur semiconducteur
Résumé
Semiconductor plasmonics is concerned with the interaction of light with a dense electron gas in a semiconductor. In this work, we study many-body excitations in thin films, where the electronic displacement forms a collective optical dipole. The resulting bright modes are volume plasmons known as Berreman modes. We demonstrate that the properties of these modes can be engineered by coupling them with their environment (optical phonons in the semiconductor, photonic resonators), or by manipulating their constituent single-particle electronic states through artificial potentials. We show that the introduction of a high electronic density to a thin layer in a single semiconductor material is sufficient to observe these collective modes, which can be exploited to realize efficient thermal emitters. We observe coupled plasmon – phonon resonances in spectroscopic measurements when the plasma frequency is close to that of the optical phonons. This coupling results in a modified Reststrahlen band for the semiconductor. For sufficiently thin layers, the collective response of the electron gas is modified due to the quantum confinement. A quantum microscopic model is introduced in which the collective response is constructed from the dipolar coupling of single particle transitions between bound states. With this model, we demonstrate that quantum confinement fixes the dispersion of plasmonic modes in a square well potential. We experimentally demonstrate that novel collective modes can be engineered by careful design of the confining potential for the electron gas. In the last part of the work, the first observations of photocurrent from the excitation of a volume plasmon are reported. The photodetection mechanism is interpreted to result from the decay of the collective excitation into a population of hot carriers. To further establish this interpretation, we investigate photodetector devices in which the plasmon mode is coupled to the photonic mode of a microcavity. We report the first evidence of photocurrent generation from the excitation of coupled light-matter modes in the ultrastrong coupling regime.
La plasmonique sur semiconducteurs s’intéresse à l’interaction de la lumière avec un gaz dense d’électrons. Dans ce travail, nous étudions les excitations multi-corps dans des couches minces de semiconducteur, où le déplacement des électrons crée un dipôle optique collectif. Les modes brillants qui en résultent sont des plasmons de volume connus sous le nom de modes de Berreman. Nous démontrons que les propriétés de ces modes peuvent être modifiées en les couplant avec leur environnement (phonons optiques dans le semiconducteur, résonateurs photoniques), ou en manipulant les états électroniques des particules individuelles qui les composent par des potentiels artificiels. Nous montrons que l’introduction d’une forte densité électronique dans une couche mince d’un matériau semiconducteur unique est suffisante pour observer ces modes collectifs, qui peuvent être exploités pour réaliser des émetteurs thermiques efficaces. Nous observons des résonances couplées plasmon - phonon dans des expériences de spectroscopie lorsque la fréquence de plasma est proche de celle des phonons optiques. Ce couplage donne lieu à une modification de la bande Reststrahlen du semiconducteur. Pour des couches suffisamment fines, la réponse collective du gaz d’électrons est modifiée en raison du confinement quantique. Un modèle microscopique quantique est introduit dans lequel la réponse collective est construite à partir du couplage dipolaire des transitions électroniques entre états liés. Avec ce modèle, nous démontrons que le confinement quantique fixe la dispersion des modes plasmoniques dans un potentiel de puits carré. Nous démontrons expérimentalement que de nouveaux modes collectifs peuvent être créés en concevant opportunément le potentiel de confinement du gaz d’électrons. Dans la dernière partie du travail, les premières observations de photocourant provenant de l’excitation d’un plasmon de volume sont rapportées. Le mécanisme de photodétection est interprété comme résultant de la relaxation de l’excitation collective en une population de porteurs chauds. Pour approfondir cette interprétation, nous étudions des photodétecteurs dans lesquels le mode plasmon est couplé au mode photonique d’une microcavité. Nous rapportons la première preuve de la génération de photocourant à partir de l’excitation de modes couplés lumière-matière en régime de couplage ultra-fort.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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