Light-matter interactions: artificial and solid-state crystals embedded in an optical cavity
Interactions matière-lumière : des cristaux artificiels et des solides cristallins dans une cavité optique
Résumé
This thesis is devoted to the characterization of crystalline structures for quantum techno-
logical applications. It is composed of two parts.
In a first project we study the localization transition of one particle in an one-dimensional
artificial quasiperiodic crystal, whose potential depends on the particle position. We
consider an ultracold atom in an optical lattice, embedded in an optical cavity. The
atom strongly couples to the cavity, leading to a second optical potential. The position
of the atom within the cavity affects the cavity field, thus the atomic motion backacts
on the potential it is subjected to. For incommensurate wavelengths, we show that the
competition between the two potentials yields a quasiperiodic potential. We determine
the parameters for which we reproduce the Aubry-André model and discuss the effects of
the backaction on the localization transition.
In the second project we propose a frequency down-conversion scheme to generate
THz radiation using the exciton-phonon coupling in a semiconductor crystal. Our idea is
based on a chain of interactions that are naturally present in a pumped semiconductor
microcavity. We derive the crucial exciton-phonon coupling, starting from the electron-
phonon interaction via the deformation potential and taking into account the crystal
symmetry properties. We identify conditions necessary for THz emission, estimate the
emission power and show that the exciton-phonon interaction provides a second-order
susceptibility.
Ce manuscrit est consacré à la caractérisation de structures cristallines pour des applications
de technologie quantique. Il est composé de deux parties.
Dans un premier projet, nous étudions la transition d’une particule d’un état étendu
à un état localisé dans un cristal artificiel quasipériodique, dont le potentiel dépend de
la position de la particule. Nous considérons un atome ultrafroid, confiné par un réseau
optique et incorporé dans une cavité optique. Le dipôle atomique est en interaction forte
avec le champ électrique dans la cavité, ce qui mène à un deuxième potentiel optique pour
l’atome. La position de l’atome dans la cavité influence notamment le champ intracavité :
le mouvement de l’atome a donc un effet rétroactif sur le potentiel dans lequel il est confiné.
Pour des longueurs d’onde incommensurables, nous montrons que la compétition entre
les deux réseaux optiques donne lieu à un potentiel quasipériodique pour l’atome. Nous
déterminons les paramètres pour lesquels nous reproduisons le modèle Aubry-André et
nous discutons les effets de la rétroaction de la cavité sur la transition de localisation.
Le deuxième projet est une proposition pour générer une radiation THz, en utilisant
le couplage entre excitons et phonons dans un cristal semi-conducteur. Nous proposons
un schéma de conversion de fréquence, basé sur une chaı̂ne d’interactions naturellement
présentes dans une cavité semi-conductrice pompée. La partie cruciale du schéma de
conversion de fréquence est l’interaction faible entre des excitons et des phonons transverses
optiques. Nous la dérivons en commençant avec l’interaction électron-phonon via le
potentiel de déformation et en prenant en compte les propriétés de symétrie du cristal.
Nous identifions les conditions nécessaires pour générer une radiation THz, nous estimons
la puissance de l’émission et nous montrons que l’interaction entre excitons et phonons
transverses optiques fournit une susceptibilité non linéaire d’ordre deux.
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