Mesure de la vitesse du son dans un fluide de polaritons excitoniques

Filière PNS - Physique et Nanosciences
2013-2014
Maëlle Kapfer
Mesure de la vitesse du son dans un
fluide de polaritons excitoniques
Sous la supervision de :
Quentin Glorieux, [email protected]
Quentin Rafhay, quentin.rafha[email protected]

Laboratoire Kastler Brossel
Universite Pierre et Marie Curie
4, place Jussieu
75005 Paris

Remerciements
Je remercie mon tuteur de stage Quentin Glorieux, pour avoir répondu à toutes mes
questions aussi basiques soient-elles et pour m’avoir appris à réaliser un montage optique
correct, ce n’était pas gagné d’avance...
Un grand merci aux membres de l’équipe d’optique quantique pour la bonne ambiance
tout au long de mon stage, les rires et les échanges, qu’ils concernent la vie, les sciences
ou les hippopotames, donc merci à Timothée, Niccolo, Jean-Michel, Salma et Mathieu.
Un énorme merci à Nicolas pour son aide, sa conversation et ses réponses à mes ques-
tions les plus stupides, et à Thomas pour m’avoir fait découvrir le monde des polaritons
et du traitement d’image avec Matlab.
Merci aussi à tous les membres du laboratoire qui ont eu la gentillesse de prendre sur
leur temps pour me présenter et m’expliquer leurs manip’ et à Monique Granon pour sa
réactivité.
Je tiens enfin à remercier tout particulièrement l’Hélium qui a su au mieux tester ma
patience.
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Table des Matières
Remerciements i
Introduction 2
1 Interaction lumière-matière en microcavité semi-conductrice 4
1.1 Lesexcitons.................................. 4
1.2 Lesphotons .................................. 4
1.3 Les polaritons de microcavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Fluide quantique de polaritons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Travail réalisé 10
2.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Excitation............................... 11
2.1.3 Imagerie................................ 11
2.2 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Courbe de dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Observation des régimes d’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Mesure de la vitesse du son . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Perspectives 19
Conclusion 20
A Relation de dispersion des photons de cavité 21
B Section latérale de la cavité semi-conductrice 22
C Montage expérimental 23
D Tableau de résultats des expériences 24
E Mesure d’angle et densité de polariton en imagerie réelle 25

Introduction
L’étude des semi-conducteurs est aujourd’hui au centre des recherches scientifiques.
Les matériaux aux propriétés semi-conductrices sont grandement utilisés pour les télé-
communication, les diodes électroluminescentes et autres microprocesseurs. Les nouveaux
enjeux de la recherche dans les semi-conducteurs sont de pouvoir rendre ces matériaux les
plus petits possible afin de pouvoir les intégrer à des dispositifs aux aussi les plus petits
possible.
Ainsi l’intérêt pour les microcavité semi-conductrices est grandissant. On va ici s’inté-
resser aux polaritons. Ce sont des quasi-particules issues du couplage fort entre exciton
(paire électron trou liée par interaction colombienne) et un photon dans une microca-
vité semi-conductrice. Les polaritons de microcavité on été observés pour la première
fois en 1992 par Weisuch [?]. Ces quasi-particules sont des bosons et ont accès à dont la
superfluidité [AA09] et la condensation de Bose Einstein [?].
Présentation du laboratoire Fondé en 1951 par Alfred Kastler et Jean Brossel sous le
nom de Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l’ENS, le Laboratoire Kastler Brossel
(LKB) est un laboratoire spécialisé en physique fondamentale et systèmes quantiques. Le
site de Jussieu, où j’ai réalisé mon stage a ouvert en 1967 [LKB]. Ce laboratoire est une
unité mixte de recherche dont les tutelles sont :
•le CNRS (Centre national de la recherche scientifique) fondé en 1939. C’est le plus
grand organisme français, public de recherche scientifique.
•l’UPMC (Université Pierre et Marie Curie). Créée en 1971, cette université accueille
32 000 étudiants, 125 laboratoires en son sein et 4 500 enseignants chercheurs.
•l’ENS (Ecole normale supérieure). Etablissements d’enseignement supérieur et de
recherche.
•le Collège de France, grand établissement de recherche et d’enseignement fondé en
1530
Dirigé par Antoine Heidmann depuis 2012, ce laboratoire compte 3 Prix Nobel de
Physique [Nob] :
•Alfred Kastler en 1966, pour la découverte et le développement de méthodes op-
tiques pour l’étude des résonances hertziennes dans les atomes.
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