La condensation de Bose-Einstein en phase solide

42
La condensation
de Bose-Einstein en phasesolide
Jacek Kasprazk
kasprzakj@Cardiff.ac.uk
Maxime Richard
maxime.richard@epfl.ch
RégisAndré
regis.andre@grenoble.cnrs.fr
Daniel LeSiDang
daniel.le-si-dang@grenoble.cnrs.fr
Institut Néel,UPR 2940,CNRS, UniversitéJoseph Fourier,Grenoble
Lescondensats de Bose-Einstein sontdesobjets quantiquesmythiques:lesparticulesyperdentleur individualité
etsecomportentcomme siellesne faisaientqu’une. Pour qu’une assemblée de bosonsprésenteune telle
condensation,il est cessairequecesparticulesinteragissent,cest-à-direqueleur longueur donde de de Broglie
soitsurieureàladistanceentreparticules.Cecritèreest satisfaitàune températuredautantplus élevée que
laparticule est légère. Ainsi,en utilisantdespolaritonsde cavité,quasi-particulesmixtesde matreetde
photons(dontlamasseest 5
××××
108foisplus petitequecelle de latome de rubidium),nous avonsobservéla
condensation de Bose-Einstein à20 K, aulieude 0.2µKpour le rubidium.
Condensation de Bose-Einstein
Touteslesparticulesélémentairescouvertesàce
jour peuventserépartirdansdeux catégories,suivantla
valeur de leur spin. D’une part,nous avonsdesbosonsde
spin entier,quiobéissentàlastatistiquedeBose,dont
l’une desscificitésest de permettreloccupation d’un
même étatquantiqueparplusieurs bosons.Paropposi-
tion,lesfermionsontdesspinsdemi-entiers,etobéissent
auprincipe dexclusion de Pauli,quiempêche deux fer-
mionsdoccuperle même étatquantique. La condensa-
tion de Bose-Einstein,formulée parEinstein en 1925àla
suitedestravaux de Bose,préditune occupation massive
de létatfondamentald’unsystème de bosonssous certai-
nesconditionsde températureetde densitédeparticules.
Une fon simple de décrirecettetransition est de
considérerungazde bosonssansinteraction,en équilibre
thermiqueàune températureT, etde comparerleur
longueur donde thermiquededeBroglie,
avecladistancemoyenne entreparticules,d=N –1/3,où
est laconstantedePlanck,k BlaconstantedeBoltzmann,m
lamassedesparticules,etNleur densité. La longueur
donde de de Broglie représenteenquelquesortelexten-
sion spatiale de laparticule massive. LorsqueTest élevée et
Nfaible,nous avons,etle comportementdesN
bosonspeut êtrepréditparlathéorie classiquedesgaz.En
revanche,lorsqu’on abaissesuffisammentlatempérature,
peut devenircomparable àd,etlastatistiquedeBose-
Einstein doitêtreutilisée pour crireladistribution des
bosonsdansle système. Unphénomène extraordinaire
peut alors seproduireendessous d’une certaine tempé-
raturecritique:une large fraction desbosonsdansle gaz
occupe létatfondamental(N 0N, N 0étantlapopulation
de létatfondamental),alors queloccupation desétats exci-
téssuitune distribution «thermiquclassiquedetype
Maxwell-Boltzmann (N e<< N, N eétantlapopulation de
létatexcité). Cettedistribution bimodale est lasignature
typiquedelacondensation de Bose-Einstein àtempérature
finie (voirarticle «La condensation en phasegazeus,
Imagesde laPhysique2000,p. 22).
Lhéliumliquide est restélongtempslexemple classi-
quedelacondensation de Bose-Einstein,aprèslacou-
vertedesesproprtéssuperfluidesà2.2K(1938).
Cependantcesystème restefort éloigné ducadrethéorique
traitéparEinstein àcausedesfortesinteractionsquiexis-
tententrebosons,limitantainsilafraction condensée à
moinsde 10%desatomesen présence,même aux plus
bassestempératures.Cenest qu’en 1995 quelacondensa-
tion proche ducasidéalapuêtreréalisée dansungazdilué
datomesde rubidium(Rb)ultrarefroidis.Lesinteractions
entreatomessonttrèsfaibles,etlafraction condensée
dépasseles90%. Cependant,àcausedelamassetrèséle-
vée desatomesRb –plus de 100 000 foislamassedelélec-
λπ
DB B
mk T
=22
(
(
λ
DB d<
λ
DB
43
La condensation de Bose-Einstein en phasesolide
tron librem
e,il afalluabaisserlatempératuredugazaux
alentours de K, trèsproche du«zéroabsolu»,pour que
lalongueur donde de de Broglie desatomessoitcompara-
ble àleur séparation moyenne (de lordrede0.1 µm).
Àcôtédecestravaux assezlargementconnus sur les
gazdatomesultrafroids,lacondensation de Bose-
Einstein danslessemi-conducteurs afaitlobjetdétudes
slesannées60,aveclestravaux théoriquesde Moska-
lenko etde Blatt (1962)sur lesexcitons.Dansunsolide,la
riodicitéduréseaucristallin introduitune bande
dénergie interditeaux électrons(ou«gaen anglais)et,
dansunsemi-conducteur,cegapséparelabande de
valencedelabande de conduction. Aux trèsbassestempé-
ratures,labande de valenceest labande de plus haute
énergie occupée parlesélectrons.Parexcitation optique,
on peut amenerulectron de labande de valenceàla
bande de conduction,laissantutatvide délectron ou
«trou»danslabande de valence. Pour le solide,cetrouse
comportecomme une quasi-particule de charge positive,
etpeut doncselieraveclélectron danslabande de
conduction (chargé négativement)parinteraction de Cou-
lomb, formantainsiune sortedatome dhydrogène
appelé exciton. Bien quelélectron etle trousoientdesfer-
mions,lexciton est une quasi-particule de type boson,
candidatepotentielle pour lobservation de lacondensa-
tion de Bose-Einstein.
Legazdexcitonsprésentedesavantagesetdesinconvé-
nients pour réaliserlacondensation. Comme principal
avantage,nous avonsvuplus haut qu’on peut créerdes
excitonstrèsfacilement,avecune sourcelaserdénergie
surieureaugapparexemple. Deplus leur masseeffec-
tiveest trèspetite,de lordredelamassedelélectron libre,
cequileur assureune longueur donde de de Broglie suffi-
sammentgrande pour satisfairelecritèredecondensation
de Bose-Einstein àune températurecritiquevoisine de 1K,
températurefacilementaccessible en laboratoireavecles
techniquesclassiquesde cryogénie. Linconvénientavecles
excitonsest leur durée de vie finie,typiquementde quel-
quesdizainesde picosecondes,quiest manifestementtrop
courtepour leur permettredeparveniràléquilibrethermi-
queavecle réseauenvironnant.Deplus,lexciton nest pas
uvraboson maisunboson composite,formé de deux
fermionsélectron ettrou.Onpeut alors montrerqueles
excitonsne peuventêtreassimilésàdesbosonsquesila
distanceentreexcitonsest beaucoupplus grande queladis-
tanceentrelesfermionsformantlexciton. Cecipeut setra-
duireparlinégalitéNaB 3<< 1,oùNest ladensité
volumiquedexcitonseta Ble rayon de Bohrde lexciton.
ResteàsavoirsicettedensitéNpeut êtresuffisantepour
satisfairelecritèredelacondensation,cequifaitque,dans
lapratique,lesexcitonslesplus adaptéspour lesétudesde
condensation sontceux dessemi-conducteurs àgrand gap,
carleur rayon de Bohrest beaucoupplus petit(environ
1.5 nm dansZnOde gap3.4 eV, contre12nm dansGaAs
de gap1.4 eV). Cependant,pour diversesraisonstechni-
quesetphysiques,aucune démonstration convaincantede
condensation dexcitonsnapuêtreapportée durantles
troisdernièrescennies.
Pourquoi lespolaritons
en microcavité
En1992,despolaritonssontobservéspour lapremière
foisdansune microcavitésemi-conductricepar
Weisbuchetal .Cesquasi-particulesrésultentducouplage
fort entrelesphotonsconfinésdansune microcavitéetles
excitonsconfinésdansdespuits quantiquesinsérésdansla
microcavité. Leurs états dénergie serépartissentsuivant
deux branches,appeléeslabranche hauteetlabranche
basse(voirencadré1),dontlaséparation,appelée dédouble-
mentde Rabidanslalittérature,dépend de laforcede
linteraction exciton-photon etdunombredepuits quanti-
ques; ainsiune microcavitéenCdTecontenantune
dizaine de puits quantiquesprésenteundédoublementde
Rabitypiqued’une vingtaine de meV.Lespolaritons
sontdoncdesbosonsde naturemixte,moitié exciton,moi-
tié photon. Parsuite,leur dispersion en énergie est complè-
tementdominée parlatrèsfortedispersion desphotonsen
cavité,etpeut êtredécriteapproximativementpar
auvoisinage de ,oùE 0est
une constantgale àlénergie desexcitonsdanslespuits
quantiques(de lordrede1.67 eV),k // lacomposantedu
vecteur donde dansle plan(x,y)perpendiculaireàlaxez
de lamicrocavité,etm p~10 –5 m elamasseeffectivedes
polaritons,quiest probablementlaplus petitemassedes
candidats connus àlacondensation de Bose-Einstein. Avec
une telle masse,le critèredecondensation est beaucoup
plus facile àsatisfaire:en effet,ungazde polaritonsde
densitéN=10 8cm 2à20 Kauraitune distancemoyenne
entreparticulesde metune longueur donde de
de Broglie de 3µm environ.
Danslapratique,on chercheradonpeuplerlesétats
de polariton sur labranche basse,avecune occupation
suffisantepour clencherlacondensation. Cependant
comme lesexcitonscitésprécédemment,lespolaritons
ontune durée de vie trèscourte,contrôlée parleur compo-
santephotoniqueouplus précisémentparle facteur de
qualitédelamicrocavité:pour unfacteur de qualitéde
lordrede1500,lespolaritonsauronttypiquementune
durée de vie de 10 –12s.Cettedurée de vie trèscourtene
permetpasaux polaritonsdêtreequilibrethermique
avecle réseauenvironnant.Comme lacondensation est
une transition de phasethermodynamique,on along-
tempspenséqu’elle ne pourraitpassétablirpour lessys-
tèmesde polaritonsde cavité. Cependant,nous verrons
plus loin quecequiest crucialcest dobtenirungazde
polaritonsen équilibrethermiqueinterne,etnon en équi-
librethermiqueavecle milieuenvironnant.Dautrepart,
il est clairégalementquelesystème polariton nest pas
fer,dansle sensoùlespolaritonsséchappentconti-
nuellementde lamicrocavité. Ilfaut alors une excitation
continuepour maintenirune population moyenne de
polaritonssuffisantepour réaliserune «condensation
hors déquilibr.
Ω R
EkEk
m
Rp
()
//
//
±+
0
22
1
22
Ω(
k // 0
La condensation de Bose-Einstein en phasesolide
44
Couplage fort en microcavitéetpolaritons
Encadré 1
Eckaveckk ketkNn
L
zz
==+=(,//
2
00
22
π
FigureAPrincipe de lamicrocavitéplanairedelongueur L.Lesmodes
propresde lamicrocavitésontdéfinispar.La courberouge
représentelavariation de lamplitude duchamp électriquedumode
optique(N=2).
FigureBCourbesde dispersion dansle plan(x,y)d’une microcavité
contenant16puits quantiquesen CdTe. Lesdispersionsdesexcitonsetdes
modesoptiquessonten traits tiretés,etcellesdespolaritonsen traits conti-
nus.Lorigine desénergiesest celle desexcitonsdanslespuits quantique,
E 0=1685 meV.Lerégime de couplage fort,démontréparlaformation des
brancheshauteetbassedespolaritons,est établi pour .
NnL
λ
=2
kcm
//
<1041
kcm
z01051
k// 0
EE k
mph
+
0
22
2
(//
m=
Nn
Lc m
ph e
(
π
×05105
.
kcm
//
1041
(k// )0
45
La condensation de Bose-Einstein en phasesolide
Commentavoir
une densitésuffisante
pour lacondensation
Pour démontrerlacondensation de Bose-
Einstein,nous partironsd’ungazde polari-
tonsincohérents.Ainsitoutecohérence
observée,quecesoitdansle domaine spec-
tral,temporel,ouspatial,serale résultatd’un
processus spontavenantdugazde polari-
tonslui-même,etnon pasinduitparlacohé-
rencedulaserutilisépour créerdes
polaritonsdanslamicrocavité. Pour cefaire,
nous injectonsdesporteurs libres(paires
délectronsetde trous)danslamicrocavité
parexcitation laserune énergie de 100 meV
environ audessus de labranche bassedes
polaritons.Cesporteurs perdentleur énergie parémission
de phonons(on ditqu’ils«relaxent») etformentdesexci-
tons,dontcertainspetits vecteurs donde ,peuvent
secoupleraveclesmodesde photonsconfinés(àpetits vec-
teurs donde) pour peuplerlesétats de labranche bassedes
polaritons.Lesautresexcitons,en faitlagrande majoritéde
lapopulation dexcitonscréés,restentbloquésdansdes
états de grandsvecteurs donde k //une dizaine de meV
au-dessus desétats de polaritonsà.Eneffet,la
relaxation de cesexcitonsvers lesétats de polariton à
ne peut sefairequeparcollisionsavecungrand nombrede
phononsacoustiques,processus hautementimprobable.
Ceteffetde «goulotdétranglement»empêche
davoirune population suffisantedanslabranche basse
despolaritonspour réaliserlacondensation. Heureuse-
mentlasituation change lorsqu’on augmentelapuis-
sancedulaserdexcitation. Àpartird’une certaine densité
dexcitonsdansle goulotdétranglement,descollisions
entreexcitonsvontseproduire,envoyantdesexcitons
dansdesétats plus énertiqueset,en vertu duprincipe
de laconservation de lénergie etde limpulsion,dautres
excitonsdansdesétats de polaritonsàplus bassnergie.
Cemode de peuplementpermetainsidobtenirungaz
densedepolaritonsde vecteurs donde .Deplus,
toutecohérenceinduitedansle système parle laserde
pompe est irrémédiablementperdueàtravers lesdivers
processus de collisions.
Condensation de polaritons
La microcavitéchoisie pour réaliserlacondensation de
Bose-Einstein est fabriquée parépitaxie parjets molé-
culairesutilisantdescomposéssemi-conducteurs àbase
de CdTe. Elle contient16puits quantiques;le rayon de
Bohrdesexcitonsest de 3.5 nm,etladurée de vie des
polaritonsde 1psenviron.
La distribution de lapopulation danslesétats de polari-
tonsdanslabranche basseautour de peut êtreson-
dée parspectroscopie de photoluminescenceenchamp
lointain (voirencadré2 ). La figure1montrecommentelle se
modifie aveclaugmentation de lapuissancedexcitation au
voisinage duseuil de condensation P 0 ,aveclamicrocavité
maintenueàlatempératureT=5K.Pour P=0.84 P 0 ,la
distribution despolaritonsserépartitde fon régulièresur
ungrand nombredétats.Pour P>P 0 ,loccupation de létat
fondamentalest nettementplus importanteque
celle desétats excités.Ils’agitde lafameusedistri-
bution bimodale,caractérisée parloccupation massivede
létatfondamentalformantle condensatetloccupation
desétats excitésselon une distribution thermique. En
comparantlespanneaux centraletdroitde lafigure1,on
peut noterégalementque,au-delàduseuil de condensa-
tion,lespolaritonsajoutésdansle gazvontplutôtse
condenserdanslétatfondamental. Cettedistribution
bimodale,typiquedelacondensation de Bose-Einstein à
températurefinie,peut êtrecontrôlée égalementparla
températureenmaintenantconstantelapuissancedexcita-
tion laser(voirfigure2 ). Danscetexemple,lacondensation
seproduitàlatempératureseuil de 25Kenviron.
La figure3montreloccupation desétats de polariton en
fonction de leur énergie,pour différentespuissances
dexcitation. Grâceàléchelle logarithmiqueutilisée pour
laxevertical,on voitqueloccupation varie aveclénergie
selon une fonction exponentielle décroissante,en accord
avecune distribution de type Maxwell-Boltzmann. Ceci
montrequelegazdespolaritonsest complètementtherma-
lisé,avecune températuretypiqued’une vingtaine
de Kelvin. Au-dessus duseuil,loccupation de létatfonda-
mentalaugmentedefon exponentielle,alors quecelle
desétats excitéschange àpeine. Ceteffetspectaculaireest
trèssimilaireàcequisepassedansundispositif laser:au-
dessus duseuil laser,lénergie injectée dansle laserse
retrouvecomplètementsous forme de photonsémisdans
le mode laser.
Ilnest passurprenantdobserverune température
despolaritonsdifférentedecelle duréseaucristallin envi-
ronnant.Eneffet,nous avonsdéjàmentionné qu’il n’y a
pasdéchange de phononsefficaceentrelegazde polari-
k // 0
k // 0
k // 0
k // 0
k // 0
k // 0
k // 0
Figure1Imagesde ladistribution despolaritonsdanslespace(E, k //)pour différentespuissances
dexcitation P=0.84,1.12,et1.21P 0 ,P
0étantlapuissanceseuil de condensation. Lesmesuressont
effectuéesen maintenantlatempératuredelamicrocavitéconstanteT=5K.
La condensation de Bose-Einstein en phasesolide
46
tonsetle réseaucarlesdispersionsdespolaritonsetdes
phononsdiffèrentde plusieurs ordresde grandeur.Dece
fait,lespolaritonsàsontcomplètementconnec-
tésduréseau,etleur températureest uniquementcontrô-
lée parleur énergie moyenne. Onpourrait
même concevoirdespolaritonsplus froids
queleréseauenvironnant!
Strictementparlant,lacondensation des
polaritonsnest paslacondensation de Bose-
Einstein préditeen1925,pour aumoins
deux raisons.Dabord,lespolaritonssontdes
bosonsquiinteragissententreeux àtravers
leur composanteexcitonique. Lexistencede
cetteinteraction limitelafraction condensée
à50%dansle gazde polaritons,situantle
condensatde polaritonsentrelhélium
liquide superfluide etlescondensats atomi-
ques.Ensuite,lespolaritonsséchappentde
lamicrocavitéaubout de 10 –12s,etla
condensation ne peut êtreobtenuequ’auprixd’une exci-
tation continue. Lesystème de polaritonsest doncloin de
léquilibrethermodynamiqueenvisagé parEinstein.
Néanmoins,laprincipale caractéristiquedelacondensa-
Comment«voir»lecondensatde polaritons?
Encadré 2
kk Ec
// sin (/)sin==θθ(
kk 00
// // ∼∼
FigureAImagerie duplandeFourierde lamicrocavitépour sonderlespolaritonsdanslespace
desimpulsions.Tous lesphotonsémisparlamicrocavitédansladirection ( θ ,ϕ )sontfocalisésau
point(r=f·tg θ ,ϕ )duplandeFourier.
k // 0
Figure2Imagesde ladistribution despolaritonsdanslespace(E, k //)pour différentestempératu-
resT=33,30 et25K, lapuissancedexcitation laserétantmaintenueconstante. La température
seuil de condensation est de 25Kenviron.
1 / 8 100%

La condensation de Bose-Einstein en phase solide

La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !