Réseaux de vortex contrôlés et lumière non-classique avec des polaritons de microcavité - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Controlled vortex lattices and non-classical light with microcavity polaritons

Réseaux de vortex contrôlés et lumière non-classique avec des polaritons de microcavité

Résumé

Polaritons are bosonic quasiparticles coming from the strong coupling between photons andexcitons in a solid-state semiconductor microcavity. Due to their short lifetime and theirstrong nonlinear interactions, polaritons are an ideal system to study fundamental problems ofout-of-equilibrium quantum hydrodynamics as well as more applied problematic in quantumoptics, such as the implementation of ultrafast opto-electronic switches or the generation ofnon-classical states of light.In this thesis the two themes are treated. In the first part of my thesis I will depict severalschemes by which we optically inject a controlled angular momentum in a polartion superfluid,in order to observe its nucleation into elementary vortices. The impact of the geometry, disorder,and polariton-polariton nonlinear interactions is studied. We show the conservation of angularmomentum in the steady state regime despite the open, out-of-equilibrium nature of the system.In the linear regime, an interference pattern containing phase defects is visible. In the nonlinear(superfluid) regime, the interference disappear and the vortices nucleate as a consequence of theangular momentum conservation. Finally, constraining the geometry we were able to create ina controlled way a stable ring of elementary vortices of the same sign, opening the way to thestudy of vortex-vortex interactions in quantum fluids of light [1].A second aspect of polaritons is the quantum properties of their emitted light. In thesecond part of the manuscript I describe a novel source of continuous-variable squeezed light inpillar-shaped semiconductor microcavities in the strong coupling regime. Indeed, the generationof squeezed and entangled light fields is a crucial ingredient for the implementation of quantuminformation protocols. In this context, semiconductor materials offer a strong potential forthe implementation of on-chip devices operating at the quantum level. Here, degeneratepolariton four-wave mixing is obtained by exciting the pillar at normal incidence. We observe abistable behavior and we demonstrate the generation of squeezing near the turning point of thebistability curve. The confined pillar geometry allows for a larger amount of squeezing thanplanar microcavities due to the discrete energy levels protected from excess noise. By analyzingthe noise of the emitted light we obtain a measured intensity squeezing of 20:3%, inferred to be35:8% after corrections for losses in the detection setup.
Les polaritons sont des quasi-particules bosoniques venant du couplage fort entre des photons decavité et des excitons confinés dans une hétérostructure semiconductrice. De par leur temps de vie trèscourt et leur très fortes interactions, les polaritons sont un système idéal pour étudier des problèmesfondamentaux d’hydrodynamique quantique hors équilibre ainsi que des aspects plus appliquésd’optique quantique, comme l’implémentation de transistors opto-electroniques ultra-rapides ou lagénération d’états non-classiques de la lumière.Ces deux thèmes sont traités dans cette thèse. Dans la première partie j’y dépeins plusieursméthodes par lesquelles on injecte optiquement un moment angulaire donné dans un superfluide depolaritons, afin d’observer sa nucléation en plusieurs vortex élémentaires. L’impact de la géometrie, dudésordre et de l’interaction nonlinéaire de type "polariton-polariton" sont étudiés. Nous démontronsla conservation du moment angulaire dans le régime stationnaire malgré la nature hors équilibre etouverte du système. Dans le régime linéaire, un reseau d’interférences contenant des singularitésde phase (vortex optiques) est visible. Dans le régime nonlinéaire (superfluide), les interférencesdisparaissent et des vortex du même signe se forment en conséquence de la conservation du momentangulaire injecté. Enfin, en ajoutant une contrainte sur la géométrie du système nous avons créé demanière controlée un anneau stable de vortex élémentaire du même signe, ce qui pourrait ouvrir lavoie à l’étude des interactions inter-vortex dans les fluides quantiques de lumière.Un autre aspect des polaritons sont les propriétés quantiques de la lumière qu’ils émettent. Dansla seconde partie de cette thèse, je décris une source améliorée de lumière comprimée en régime devariables continues dans des micropiliers semiconducteurs en régime de couplage fort. En effet, lagénération de lumière comprimée et intriquée est un ingrédient crucial pour l’implémentation deprotocoles en information quantique. Dans ce contexte, les matériaux semiconducteurs ont un grandpotentiel pour la réalisation d’éléments sur puce opérant au niveau quantique. Ici, un mélange àquatre ondes dégénérées est obtenu en excitant le micro-pilier à incidence normale. Nous observonsun comportement bistable et démontrons la génération de lumière comprimée près du point tournantde la courbe de bistabilité. La nature confinée de la géométrie du piller permet d’atteindre un taux decompression bien supérieur que dans les microcavités planaires, grâce aux niveaux d’énergies discretsprotégés des excès de bruits. En analysant le bruit dans la lumière émise par les micro-piliers, nousobtenons une réduction du bruit d’intensité mesurée à 20:3%, et estimée à 35:8% après correction despertes de détection.
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Dates et versions

tel-01107881 , version 1 (21-01-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01107881 , version 1

Citer

Thomas Boulier. Réseaux de vortex contrôlés et lumière non-classique avec des polaritons de microcavité. Physique [physics]. UPMC, Paris Sorbonne, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01107881⟩
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