Laboratoire Kastler Brossel

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Superfluidité de polaritons dans les microcavités semiconductrices

Depuis sa découverte en 1938 dans l’Hélium liquide, la superfluidité a été mise en évidence dans des systèmes très différents et le lien subtil entre superfluidité et condensation de Bose-Einstein a été exploré dans les expériences récentes avec les gaz d’atomes ultrafroids.

Dans le domaine de la matière condensée, les bosons bi-dimensionnels en faible interaction que sont les polaritons dans les microcavités semiconductrices constituent un nouveau type de fluide quantique avec des propriétés spécifiques provenant de leur nature intrinsèquement hors équilibre. Les polaritons sont en effet des superpositions d’excitons (états liés electron-trou) et de photons dans une microcavité en couplage fort et sont créés par une excitation laser. Après l’observation de la condensation de Bose-Einstein de polaritons dans de tels systèmes par plusieurs groupes dans le monde, un des défis pour les expérimentateurs était de mettre en évidence les propriétés de superfluidité du fluide de polaritons.

Très récemment l’équipe « Optique Quantique » du laboratoire Kastler Brossel, en collaboration avec des théoriciens du laboratoire MPQ-Paris7 et de l’Université de Trento, a observé la propagation superfluide d’un fluide polaritonique créé par excitation laser dans une microcavité semiconductrice. La superfluidité est démontrée sur la base du critère de Landau et se manifeste par la suppression totale de la diffusion élastique sur les défauts de la structure lorsque la vitesse d’écoulement du fluide polaritonique est inférieure à la vitesse du son dans le fluide. De plus, si la vitesse d’écoulement est supérieure à la vitesse du son, le régime superfluide n’est plus accessible et on observe l’effet Cerenkov, avec l’apparition des fronts d’onde linéaires caractéristiques lorsque le fluide polaritonique rencontre un défaut.

Les résultats expérimentaux sont en excellent accord quantitatif avec les prédictions basées sur une théorie de Gross-Pitaevskii généralisée. Les polaritons de microcavité pourraient ainsi constituer un nouveau système très flexible pour explorer la physique des fluides quantiques hors équilibre.

Figure :
a-I, a-II, a-II- Régime superfluide Les figures montrent l’émission de la microcavité dans l’espace réel en fonction de la puissance d’excitation lorsque les polaritons interagissent avec un défaut. A faible puissance, en régime linéaire, le fluide polaritonique est diffusé par le défaut, donnant lieu aux fronts d’ondes paraboliques visibles en (a-I). A plus forte puissance, l’émission est fortement modifié par les interactions polariton-polariton (a-II) jusqu’à atteindre (a-III) le régime superfluide où toute diffusion sur le défaut est supprimé et l’absence de franges d’interférence est observée.
b-I, b-II, b-III- Régime Čerenkov Les figures montrent l’émission de la microcavité dans l’espace réel en fonction de la puissance d’excitation lorsque les polaritons interagissent avec un défaut. Dans ce cas-ci, le fluide de polaritons a été préparé avec un vitesse notablement supérieure aux condition de la figure a. A faible puissance, en régime linéaire, le fluide polaritonique est diffusé par le défaut, donnant lieu aux fronts d’ondes paraboliques visible en (b-I). A plus forte puissance, les interactions polariton-polariton amènent le système dans le régime Čerenkov dans lequel la vitesse du fluide polaritonique est supérieure à la vitesse du son dans le milieu. Les fronts d’ondes linéaires caractéristiques de ce régime sont clairement visibles en (b-II) et (b-III).