'interaction entre les excitations électroniques (excitons) et les photons est exaltée dans les microcavités optiques, en comparaison des matériaux massifs. Lorsque cette interaction est assez forte, elle entre dans le régime de couplage fort, dans lequel l'approche perturbative de l'interaction lumière-matière n'est plus valide. Dans ce régime, les nouveaux états propres s'appellent les polaritons, c'est-à-dire des quasi-particules mi-exciton, mi-photon. Les polaritons peuvent être générés, transportés, accumulés pour former des phases quantiques denses, tout en contrôlant leurs interactions. La découverte de la condensation de Bose des polaritons en 2006 [1] (à basse température dans les microcavités CdTe et GaAs) a été à l'origine de nombreux projets de recherche, qui ont amené à la découverte de la superfluidité des condensats de polaritons, l'observation de vortex complexes dans les 'fluides quantiques de lumière', et le développement de dispositifs polaritoniques.

Les dispositifs polaritoniques à base de GaN et ZnO se sont développés au cours des 10 dernières années car leurs excitons possèdent une grande force d'oscillateur et une excellente stabilité en température, jusqu'à 300K, ce qui est un avantage majeur en comparaison de GaAs [2]. Au sein d'une collaboration avec le C2N (Saclay), CRHEA (Valbonne) and IP (Clermont-Ferrand), notre équipe a développé une plateforme alternative basée sur les guides d'onde polaritoniques [3-7], très intéressante pour les lasers à faible nombre de photons, la photonique nonlinéaire et la physique des solitons. Cette géométrie permet en particulier une injection électrique plus facilement réalisable que dans les cavités verticales. Dans le cadre du projet NEWAVE financé par l'ANR, nous avons démontré en 2024 que les lasers à polaritons guidés GaN fonctionnent à la fois en régime continu [5] et en régime impulsionnel [7], avec un faible nombre de photons par impulsion. Nous y explorons aussi la photonique topologique et non-linéaire [6], le blocage de mode et la physique des solitons [7].

Ce thème de recherche se positionne à la frontière entre l'optique non-linéaire, la nanophotonique, l'opto-électronique quantique et la physique des condensats de Bose. Les dispositifs à polaritons guidés attirent un fort intérêt pour les applications en photonique intégrée, simulation quantique, et pour les réseaux de neurones tout-optiques.

Le projet de thèse que nous proposons est consacré à deux éléments centraux dans ces applications : un laser à polariton topologique fonctionnant à 300K, et un laser à polaritons en injection électrique. Les dispositifs topologiques sont réalisés en structurant un guide d'onde à polariton en cristal photonique, comme récemment proposé par notre consortium [6]. L'étude des lasers topologiques est réalisée par des techniques de spectroscopie optique avancée, d'imagerie de l'espace réel et de l'espace de Fourier, pour mettre en évidence les états photoniques/polaritoniques impliqués dans l'effet laser, et leur nature topologique.

(Références : voir sujet pdf)
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The interaction between electronic excitations (excitons) and photons is strongly enhanced in optical microcavities, compared to a bulk medium. When the interaction is large enough, it can reach the strong coupling regime, where the perturbation theory isn't suitable anymore to understand the light-matter interaction. In this regime, the new eigenstates are the so-called polaritons, half exciton/half photon quasi-particles. They can be generated, transported, accumulated in dense quantum phases and brought into strong interactions. The discovery of the Bose condensation of polaritons in 2006[1] (at low temperature in a GaAs microcavity) has triggered many interesting research projects and led to the discovery of the superfluidity of polariton condensates, the observation of unique kinds of vortices in these “quantum fluids of light”, and the development of polaritonic devices.

GaN and ZnO-based polaritonic devices have raised a large interest in the community thanks to their robust excitons and large oscillator strength. Indeed polariton condensates can be demonstrated at room temperature, which is a striking advantage with respect to GaAs devices operated at cryogenic temperatures. Within a collaboration with the laboratories CRHEA, C2N and IP (with present fundings from ANR NEWAVE), our group L2C/OECS has demonstrated in 2013 the condensation of polaritons in a ZnO microcavity at 300K[2] and then developed an alternative platform based on polaritons in GaN ridge waveguides[3-7] i.e. an optical waveguide in which propagating photons and excitons are in the strong coupling regime[3]. We have demonstrated in 2024 an original pulsed laser operating at small photon numbers[7]. We also explore nonlinear and topological photonics [6], mode-locking and soliton physics [7].

This research stands at the frontier between non-linear optics, nanophotonics, quantum opto-electronics and Bose condensate physics. The polariton waveguide devices are attracting a lot of interest for applications in integrated photonics, quantum simulation, and all-optical neural networks.

The present PhD proposal is focused on two building blocks for these applications: a topological polariton laser operating at room temperature, and an electrically injected polariton laser. Polariton devices with a topological photonic crystal are imprinted on the polariton waveguide, based on a recent theoretical proposal by our consortium [6]. The topological lasers will be studied by combining advanced optical spectroscopy and imaging of their emission both in real space and Fourier-space, in order to evidence the photonic/polaritonic states involved in lasing, and their topological nature.

(references: see pdf file)
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://coulomb.umontpellier.fr/-NEWAVE-project-waveguide-polariton-lasers-

Funding category: Contrat doctoral

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