En utilisant une technique de spectroscopie ultra-rapide pompe-sonde dans l'infrarouge moyen, des physiciens du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N, Université Paris-Saclay / CNRS), en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Regensburg (Allemagne) et du CNR italien (Trento et Trieste), ont démontré que les polaritons intersousbandes peuvent subir une diffusion cohérente stimulée.
Les polaritons intersousbandes sont des états hybrides lumière-matière issus du couplage fort d'une transition intersousbandes avec les modes électromagnétiques quantifiés d'une microcavité. Ils se produisent généralement à des longueurs d'onde de l'infrarouge moyen et du THz. Il y a plus de dix ans, ils ont été décrits théoriquement comme des quasi-particules bosoniques qui peuvent subir une stimulation par l'état final et un processus de condensation.
Un consortium européen dirigé par une équipe de scientifiques du C2N, comprenant des chercheurs de l'université de Regensburg en Allemagne et des universités de Trente et de Trieste en Italie, a réalisé la première démonstration de la stimulation de l'état final de polaritons intersousbandes à des longueurs d'onde dans l'infrarouge moyen. Plusieurs développements clés ont rendu possible ce tour de force expérimental. Le développement de microcavités dispersives fonctionnant dans l'infrarouge moyen a permis d'explorer le processus de diffusion polariton-polariton. De plus, un montage expérimental pompe-sonde ultra-rapide, spécialement développé pour cette tâche, a été la clé pour explorer le processus de diffusion dans le régime de stimulation de l'état final. Dans ce régime, la diffusion vers l'état final est renforcée par la densité de quasi-particules à cet état.
Cette démonstration expérimentale constitue une étape majeure vers le développement d'émetteurs cohérents à faible seuil à ces longueurs d'onde de l'infrarouge moyen, ainsi que la démonstration potentielle de la condensation de Bose-Einstein de ces quasi-particules hybrides apparaissant dans des hétérostructures semi-conductrices.
References
Intersubband Polariton-Polariton Scattering in a Dispersive Microcavity
M. Knorr1, J. M. Manceau2, J. Mornhinweg1, J. Nespolo3, G. Biasiol4, N. L. Tran2, M. Malerba2, P. Goulain2, X. Lafosse2, M. Jeannin2, M. Stefinger1, I. Carusotto3, C. Lange5, R. Colombelli2, and R. Huber1
Phys. Rev. Lett. 128, 247401 (2022)
DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.247401
1Department of Physics, University of Regensburg, 93040 Regensburg, Germany
2Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), CNRS, Université Paris Saclay, 91120 Palaiseau, France
3INO-CNR BEC Center and Dipartimento di Fisica, Universita di Trento, I-38123 Povo, Italy
4Laboratorio TASC, CNR-IOM, Area Science Park, 34149 Basovizza, Trieste, Italy
5Department of Physics, TU Dortmund University, 44227 Dortmund, Germany
Contacts : Jean-Michel Manceau, Raffaele Colombelli, CNRS Researchers at C2N
Figure 1 - Légende : (a) Représentation du montage expérimentale pour la spectroscopie pompe-sonde. (b) Réflectivité de la sonde en fonction du délai pompe-sonde en échelle de couleur. Une forte augmentation de la réflectivité apparaît pour un délai nul. (c) Evolution de l’intensité diffusée à délai nul en fonction de la puissance de pompe (haut) et de la puissance de sonde (bas), démontrant le caractère bosonique de la stimulation par état final.
