Cette thèse porte sur l'étude des excitons-polaritons résultant du couplage fort entre une paire électron-trou en interaction coulombienne et un photon dans un matériau semi-conducteur. Grâce à leur nature bosonique, ces particules peuvent se condenser sous excitation optique et générer un effet laser à seuil réduit. Cependant, ce régime n'est viable qu'en dessous de la densité critique de Mott, au-delà de laquelle une transition vers un laser classique se produit.



Entre ces deux régimes extrêmes, une situation intermédiaire appelée régime Barden-Cooper-Schrieffer (BCS) apparaît, où l'émission lumineuse provient de paires de Cooper électron-trou préformées [1,2]. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer ce régime BCS dans des guides d'ondes et microcavités à base de ZnO non polaires (plan m). Pour cela, une étude spectroscopique approfondie du gain optique en fonction de la densité de porteurs injectés et de la température sera menée afin de compléter le diagramme de phases du système électrons-trous.

Les expériences porteront sur des guides d'ondes à base de ZnO, où l'écrantage progressif des excitons en fonction de l'excitation optique [3] sera démontré via l'analyse de l'évolution de la courbe de dispersion du guide. L'étude de microcavités gravées dans ces guides permettra ensuite d'évaluer la variation de l'indice de réfraction en fonction de la densité d'excitation. Des mesures de photoluminescence résolue en temps (TRPL) permettront la détermination du temps de déclin de luminescence nécessaire à l'estimation de la densité des photo-porteurs injectés d'une part, mais aussi l'étude de la dynamique des polaritons le long de la courbe de dispersion du guide d'autre part. Un nouveau dispositif de type pompe-sonde (réception juin 2025), permettra d'examiner la dynamique ultrarapide des porteurs et le blanchiment des excitons sous forte excitation. Ces résultats seront confrontés avec un modèle développé par Banay et Koch [4] incluant l'écrantage des excitons par les porteurs libres.L'ensemble des données expérimentales, combinées aux calculs, contribuera à une meilleure compréhension du mécanisme « LASER » dans les guides d'ondes et microcavités à base de ZnO.



Ce projet s'inscrit dans un cadre collaboratif national impliquant plusieurs laboratoires, ce qui donne accès à des échantillons de haute qualité. Dans ce cadre, le(a) candidat(e) devrait également avoir l'opportunité de comparer ses résultats avec ceux obtenus sur des guides d'ondes à base de GaN, également élaborés sur un substrat plan m (non polaire).



Le(a) candidate devra avoir une formation solide en physique du solide et en optique, ainsi qu'une capacité de communication scientifique, notamment en anglais, pour une intégration efficace au sein de l'équipe de recherche.
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This thesis focuses on the study of exciton-polaritons, which result from the strong coupling between an electron-hole pair in Coulomb interaction and a photon in a semiconductor material. Due to their bosonic nature, these particles can condense under optical excitation and generate a laser effect with a reduced threshold. However, this regime is only viable below the critical Mott density, beyond which a transition to a conventional laser occurs.



Between these two extreme regimes, an intermediate state known as the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) regime emerges, where light emission originates from preformed electron-hole Cooper pairs [1,2]. The main objective of this thesis is to explore this BCS regime in ZnO-based waveguides and microcavities. To achieve this, a thorough spectroscopic study of optical gain as a function of injected carrier density and temperature will be conducted to refine the phase diagram of the electron-hole system.



The experiments will focus on ZnO-based waveguides, where the progressive screening of excitons as a function of optical excitation [3] will be demonstrated through the analysis of the evolution of the waveguide dispersion curve. The study of microcavities etched in these waveguides will then allow for the evaluation of the refractive index variation as a function of excitation density. Time-resolved photoluminescence (TRPL) measurements will enable the determination of the luminescence decay time required to estimate the density of injected photo-carriers, as well as the study of polariton dynamics along the waveguide dispersion curve. A new pump-probe setup, scheduled for June 2025, will allow for the investigation of ultrafast carrier dynamics and exciton bleaching under high excitation. These results will be compared with a model developed by Banay and Koch [4], which includes exciton screening by free carriers. The combination of experimental data and theoretical calculations will contribute to a better understanding of the 'LASER' mechanism in ZnO-based waveguides and microcavities.



This project is part of a national collaborative framework involving multiple laboratories, providing access to high-quality samples. Within this context, the candidate will also have the opportunity to compare their results with those obtained on GaN-based waveguides, which are also grown on a planar m-plane (non-polar) substrate.



The candidate should have a strong background in solid-state physics and optics, as well as scientific communication skills, particularly in English, to integrate effectively into the research team.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Funding category: Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral