High resolution coherent spectroscopy of a polariton fluid : Bogoliubov modes, non equilibrium phase transitions and turbulence
Spectroscopie cohérente haute résolution d'un fluide de polariton : modes de Bogoliubov, transitions de phase hors équilibre et turbulences
Résumé
Excitons-polaritons of semiconductor microcavities are quasiparticles originating from the dressing of optical cavity photons by the interactions between quantum well electron-hole pairs. In planar geometry, their belonging to the family of quantum fluids has been many times demonstrated through the observation of macroscopic coherence phenomena, such as superfluidity and Bose-Einstein condensation. Like ultracold atoms, polaritons support on their surface a set of collective excitations, the Bogoliubov modes, whose spectrum encompasses the key information to describe the dynamics of quantum fluids. In this thesis, we present a wide variety of results concerning the detection and control of such modes in different configurations. Thanks to the development of a new high-resolution coherent spectroscopy method, we carried out a detailed study of the spectrum of polariton collective excitations. In particular, we highlighted the effects of the driven-dissipative nature of the system on the fundamental dynamics of the fluid, by investigating the interplay between the Bogoliubov modes and the polariton bistability under coherent pumping. This was the opportunity to reveal, in addition to the well-known phonon-type excitations, precursors of dynamical instability and the so-called ghost branch. Moreover, we studied the behavior of out-of-equilibrium phase transitions: first, via the effect of the system dimension on the bistability and, second, with the onset of a Goldstone mode, as a result of a spontaneous symmetry breaking in a parametric oscillation regime. Finally, we designed a pumping geometry that directly controls the instability modes between dark solitons of a pair guided by an intensity channel, leading to the formation of vortex-antivortex streets in the density.
Les exciton-polaritons de microcavités semiconductrices sont des quasiparticules résultant de l'habillement de photons de cavité optique par les paires d'électron-trou de puits quantique. En géométrie planaire, leur appartenance à la famille des fluides quantiques a été prouvée maintes fois à travers les observations de phénomènes de cohérence à l'échelle macroscopique, tels que la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein. À l'instar des atomes ultrafroids, les polaritons supportent à leur surface un ensemble d'excitations collectives, les modes de Bogoliubov, dont les spectres incorporent les informations clés pour décrire les dynamiques des fluides quantiques. Dans cette thèse, nous présentons une large variété de résultats au sujet de la détection et le contrôle de tels modes dans différentes configurations. Grâce au développement d'une nouvelle méthode de spectroscopie cohérente haute-résolution, nous avons mené une étude détaillée du spectre des excitions collectives des polaritons. En particulier, nous avons révélé l'impact de la nature forcée-dissipative du système sur les dynamiques fondamentales du fluide, en examinant la relation entre les modes de Bogoliubov et la bistabilité polaritonique en pompage cohérent. Ceci nous a conduits à observer, en plus des excitations soniques bien connues des superfluides, des modes précurseurs d'instabilités et la branche fantôme. Qui plus est, nous avons étudié le comportement de transitions de phase hors-équilibres: d'abord, via les effets de la dimension du système sur la bistabilité; puis, avec la génération d'un mode de Goldstone, en conséquence d'une rupture spontanée de symétrie en régime d'oscillation paramétrique. Finalement, nous avons conçu une géométrie de pompage qui permet le contrôle direct des modes d'instabilités entre des solitons sombres d'une paire guidée par un canal d'intensité et menant à la formation d'une avenue de vortex-antivortex dans la densité du fluide.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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