Non-linear physics associated to chiral symmetry in driven dissipative polariton lattices
Physique non-linéaire associée à la symétrie chirale de réseaux de microcavités à polaritons
Résumé
Microcavity polaritons originate from the strong coupling between cavity photons and electronic excitations of a semiconductor microcavity. These quasi-particles inherit properties from both constituents: the electronic component is responsible for giant Kerr non-linearities while the photonic part makes the system inherently dissipative and allows confining polaritons in micro-structures obtained via etching of the cavity. This thesis presents the study of the non-linear properties of micro-cavity arrays with chiral symmetry. The first part of the work is dedicated to one-dimensional topological lattices emulating the Su-Schrieffer-Heeger model. In the non-linear regime, driving the system coherently using a laser leads to the formation of gap solitons at the edges and in the bulk of the structure. We evidenced that such solitons present symmetry properties making them robust against certain types of defects. In addition, we unveiled that a careful engineering of the drive allows observing novel non-linear solutions which are specific to open systems. We analyzed the systems excitations spectrum in presence of such stationary state and demonstrate the possibility to realize a topological phase transition induce by the interactions. In the second part, we explored the properties of the interaction between two gap solitons and showed that the interaction sign is strongly linked to the underlying structure of the lattice. This work showed the presence of a spontaneous symmetry breaking. The study of the systems non-linear response in the vicinity of such phase allows us to discover a novel effect of bistability allowing to induce chirality in the system depending on the drive protocol. We called this effect “helical bistability”. The helical bistability is a very general effect that can be observed in a simple set of two coupled Kerr resonators and is linked to the physics of a particle with spin one half. These results are supported both by numerical simulations and experiments. This thesis illustrates how symmetries and non-linearities enriches the physics of photonic systems in a driven-dissipative context.
Les polaritons d'excitons sont des particules mixtes lumière-matière émergeant du couplage fort entre photons de cavité et excitations électroniques dans des microcavités semi-conductrices. Ces quasi-particules héritent des propriétés de leurs deux constituants élémentaires : la composante électronique leur confère une non-linéarité Kerr géante, tandis que la partie photonique rend le système intrinsèquement dissipatif et permet de confiner les polaritons dans des microstructures obtenues en gravant la cavité. Cette thèse présente l'étude des propriétés non-linéaires de réseaux de microcavités optiques présentant la symétrie chirale. La première partie de l'étude est consacrée à des chaînes topologiques unidimensionnelles émulant le modèle de Su-Schrieffer-Heeger. Dans le régime non-linéaire, le pompage cohérent du système en utilisant un laser conduit à la formation de solitons de gap dans le réseau massif ainsi qu'aux bords du réseau. Ces solitons possèdent des propriétés de symétrie qui les rendent robustes face à certains types défauts. D'autre part, en structurant la phase du laser de pompe, de nouvelles solutions non-linéaires apparaissent, qui sont spécifiques à la physique des systèmes ouverts. En présence d'un tel état stationnaire, l'analyse détaillée du spectre des excitations permet de mettre en évidence une transition de phase topologique induite par les interactions. Dans un second temps, l'étude de l'interaction entre deux solitons a permis de montrer que le signe de cette interaction est étroitement lié à la structure du réseau sous-jacent. Ces travaux ont mis en évidence la présence d'une brisure spontanée de symétrie entre les deux solitons. Au voisinage de cette phase, un nouvel effet de multi-stabilité a été découvert, qui permet d'induire de la chiralité dans la réponse du système en fonction du protocole de pompage. Nous dénommons cet effet “bistabilité hélicoïdale”. Cet effet très général peut être obtenu dans un simple système de deux résonateurs non-linéaires couplés, et relié ainsi à la physique d'une particule de spin demi-entier. Ces résultats sont étayés à la fois par des simulations numériques détaillées ainsi que par des expériences. Cette thèse illustre ainsi comment symétries et nonlinéarités permettent d'enrichir considérablement la physique des systèmes photoniques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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