Les polaritons d’excitons, quasiparticules hybrides provoquées par le fort couplage exciton-photon, constituent un prototype unique pour l’étude de la physique à N corps et des phénomènes photoniques quantiques traditionnellement dans des conditions cryogéniques.
Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) atomiquement minces, en tant que semi-conducteurs exceptionnels fonctionnant à température ambiante, ont reçu beaucoup d’attention en raison de leurs caractéristiques fascinantes de Valleytronics et de leur forte résonance d’excitons. Néanmoins, dans les microcavités TMD, la force globale d’interaction non linéaire des polaritons peut être insignifiante par rapport à celle d’autres semi-conducteurs à large bande interdite.
Des efforts considérables ont été consacrés à l’amélioration des interactions non linéaires, par exemple en recourant aux états 2s, au trion et au moiré ou aux excitons dipolaires. Cependant, ces excitons se dissipent rapidement à des températures élevées, puis détruisent la condition de couplage fort. Ainsi, obtenir une combinaison appropriée d’une forte non-linéarité et de la stabilité thermique des polaritons des TMD est très recherché pour les dispositifs intégrés réalistes basés sur les polaritons.
Dans un article récent publié dans Lumière : science et applicationsune équipe de scientifiques dirigée par le professeur Qihua Xiong du State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics, Département de physique, Université Tsinghua, Chine, Académie des sciences de l’information quantique de Pékin, Chine, et ses collègues ont présenté un potentiel entièrement déterministe. puits via les mesas lithographiques pour piéger les polaritons à travers le composant photonique dans une microcavité monocouche WS2.
Expérimentalement, leurs cavités mesa montrent la discrétisation des dispersions de photoluminescence et des motifs spatialement confinés, démontrant sans ambiguïté l’effet de piégeage déterministe sur site. Plus intéressant encore, ils ont systématiquement étudié la non-linéarité des polaritons sous de telles cavités par des mesures non dépendantes de la puissance de résonance et ont découvert que l’interaction polariton-exciton domine le décalage spectral observé, qui peut être augmenté d’environ six fois en améliorant le confinement spatial à température ambiante. .
Parallèlement, la cohérence des polaritons piégés est considérablement améliorée en raison du rétrécissement spectral et adaptée à une plage de picosecondes.
Par conséquent, ces résultats prouvent une méthode pratique basée sur la fabrication micro-nano programmée pour obtenir une non-linéarité et une cohérence contrôlables des polaritons dans le TMD à température ambiante, ouvrant de nouvelles voies pour les futurs dispositifs intégrés basés sur les polaritons, tels que les modulateurs de polaritons, les sources quantiques de polaritons, et les réseaux de neurones quantiques.
Les scientifiques résument l’innovation et l’importance de leurs travaux :
« L’utilisation des cavités mesa artificielles pour manipuler les polaritons d’excitons en interaction présente trois avantages majeurs. Premièrement, l’approche permet de fonctionner dans des conditions ambiantes, ce qui est très recherché pour les dispositifs intégrés réalistes basés sur les polaritons. Deuxièmement, les cavités mesa confineront les polaritons à travers leurs partie photonique au lieu de la partie excitonique, ce qui est plus pratique compte tenu du rayon de Bohr extrêmement petit et d’une longueur de transport des excitons inférieure au micromètre.
« Enfin, l’utilisation de cavités mesa nous permet de réaliser des puits potentiels entièrement déterministes plutôt que des pièges aléatoires probablement induits par les contraintes ou les espaces d’air impliqués dans la préparation des échantillons. »
« Ce travail indique la faisabilité du contrôle des propriétés des polaritons dans les microcavités des TMD en concevant des puits de potentiel artificiels et établit les bases de la simulation de l’hamiltonien du polariton avec d’autres paysages potentiels complexes et de la réalisation de dispositifs polaritoniques intégrés à température ambiante », déclarent les scientifiques.
Plus d’information:
Yuan Luo et al, Manipulation de polaritons d’excitons non linéaires dans un semi-conducteur atomiquement mince avec des paysages potentiels artificiels, Lumière : science et applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-023-01268-2