Fluides Quantiques de Lumière – QFL

La cohérence quantique dans les systèmes de bosons en interaction est à l’origine d’effets remarquables tels que la condensation, la superfluidité ou la turbulence quantique. Les possibilités d’utilisation des fluides quantiques pour l’émulation de systèmes physiques complexes ou inaccessibles ont été décrites par des livres tels que « L’Univers dans une Goutte d’Hélium » de G. Volovik, ou les travaux sur les analogues de trous noirs. L’émulation d’Hamiltoniens complexes fait l’objet depuis le début des années 2000 d’une intense activité dans le domaine des gaz d’atomes froids. Les états mixtes lumière matière résultant du couplage fort exciton-photons (polaritons) dans les microcavités de semiconducteurs permettent la réalisation d’un fluide quantique de lumière (FQL). Grâce à leur partie excitonique, les polaritons interagissent, alors que leur caractère photonique permet leur excitation et leur détection directes via l’ensemble des techniques spectroscopiques. Ces techniques permettent un contrôle de la distribution spatiale de la densité, de la phase, et de la vitesse du FQL créé, ainsi qu’un accès complet à l’évolution de ces paramètres: n’importe quelle fonction d’onde peut être créée et son évolution entièrement mesurée. Ainsi, ces dernières années ont vu la démonstration dans des FQL de la condensation de Bose, de la superfluidité, et de phénomènes non-observés dans d’autres fluides quantiques, tels que la formation de solitons obliques, ou l’émergence d’analogues de monopoles magnétiques. Le but du projet est de permettre une rupture dans la description de la physique des fluides quantiques, et des FQL en particulier. Il est organisé autour de 5 objectifs scientifiques :

1) Propagation, superfluidité et turbulence quantique. Nous allons étudier les interactions d’un fluide de polaritons créé sous pompage résonant avec des phonons et un défaut statique ce qui permettra d’accéder au régime de turbulence quantique.
2) Propagation dans des milieux désordonnés. Nous allons étudier dans les milieux 2 D et des réseaux hexagonaux l’influence mutuelle de l’énergie cinétique, d’interaction, de la dispersion et d’un désordre contrôlé optiquement. Les régimes de localisation faible, d’Anderson, d’antilocalisation, de superfluidité seront étudiés.
3) Excitation topologique 1D et 2D : propriétés individuelles et collectives. Nous allons étudier la nucléation et la stabilité dynamique et thermique de solitons, demi-solitons, vortex, demi-vortex, leurs interactions, et la formation d’états collectifs tels que des réseaux d’Abrikosov ou de Wigner.
4) Condensation de Bose Einstein des polaritons de cavité. Nous souhaitons améliorer la compréhension de cette transition de phase hors équilibre, en amenant une meilleure description des mécanismes d’interaction, notamment avec les phonons.
5) Emulation de systèmes analogues. Nous allons utiliser les spécificités des FQL, leur flexibilité d’étude afin d’émuler des systèmes de différentes natures. Nous allons émuler des réseaux possédant des bandes topologiquement non-triviales (analogue d’effet Hall quantique, normal et anormal), et le rôle des interactions dans ces systèmes. Nous souhaitons également émuler et étudier des objets astrophysiques distants tels que des trous noirs 1D et 2D et les analogues de radiation de Hawking.

Les partenaires possèdent les compétences complémentaires qui permettront l’accomplissement du projet. Ils développeront la théorie des FQL (IP). Une nouvelle génération de cavités de CdTe et de cavités gravées de GaAs sera fabriquée par l’IN et le LPN. Des études de spectroscopie optique à l’état de l’art seront menées sur les échantillons fabriqués par le LKB, l’IN, et le LPN. Ce consortium a obtenu des résultats pionniers en polaritonique dans les années passées et est parfaitement positionné pour mettre en œuvre avec succès le plan de recherche proposé et obtenir des résultats remarquables, qui pourront être publiés dans des journaux à fort impact.