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Aspects hydrodynamique et thermodynamique des fluides de lumière corrélés – C-FLigHT

Résumé de soumission

La lumière est depuis le début du siècle dernier appréhendé comme un gaz de photon interagissant de façon négligeable. Grâce aux derniers développements dans la fabrication et le design de nanostructures semi-conductrices, la lumière piégée dans ces systèmes peut désormais se comporter comme un liquide où les particules interagissent de manière forte. Un des systèmes le plus emblématique de ce nouveau paradigme est sans doute les dispositifs à polariton.

Les polaritons excitoniques de mircocavité sont des quasi-particules à mi-chemin entre lumière et matière. Ces remarquables particules sont issues du couplage fort entre les excitons de puits quantiques et le mode du champ électromagnétique confiné dans une mircocavité semiconductrice. La découverte du régime de condensation de Bose et du regime superfluide des polaritons excitoniques a initié un important développement des activités de recherche autour de ces particules. De leur nature à la fois hors-équilibre et non-linaire, ces fluides corrélées de lumière permettent d’observer des phénomènes remarquables tel que la bistabilité optique, les instabilités hydrodynamiques et la formation de solitons de cavité. Ces fluides quantique hors-équilibre présentent une physique sans précédent où sont conjugués physique quantique et optique non-linaire, qui reste largement à explorer.

Simon Pigeon ainsi que l’équipe Optique quantique du Laboratoire Kastler Brossel (Université Pierre et Marie Curie, école Normale Supérieure et CNRS) sont parmi les acteurs majeurs de ce domaine de recherche très actif et compétitif. Dans ce projet, ils proposent des avancées déterminantes dans l'exploration des propriétés fondamentales des états quantiques de la matière sur la base de systèmes à polariton. De plus, en s'appuyant sur l’expertise du coordinateur du projet Simon Pigeon, les caractères hors-équilibre des fluides de polaritons seront considérés aussi bien d’un point de vue hydrodynamique que thermodynamique.

— Le premier axe de recherche se propose de faire le jour sur les propriétés propres aux fluides quantiques de polaritons. Seront considérés aussi bien leur propriété de spin ainsi que la dynamique des excitations topologiques qui peuvent y prendre place. Les résultats obtenus permettront d’éclairer la dynamique des polaritons mais pourront aussi être étendu à d’autres dispositifs d’optique non-linéaire présentant un comportement similaire.

— Le second volet du projet C-FLigHT définit les systèmes à polariton comme un outil innovant pour simuler et étudier des d’états quantiques de la matière. De part leur grande contrôlabilité les fluides quantiques de polaritons peuvent être préparés de façon à simuler des phénomènes tel que la localisation d’Anderson ou la transition Mott-Superfluide.

— Le troisième axe de recherche développé au sein de C-FLigHT propose, sur la base de travaux récents, de considérer les systèmes à polaritons d’un point de vue thermodynamique. Le but est de décrire les phénomènes thermodynamiques ou des mécanismes universels (Kibble-Zurek) dans le contexte de liquide de lumière corrélé. Sur la base de cette approche originale et innovante, le fonctionnement des dispositifs à polariton ainsi que d’autres dispositifs d’optique pourront être mieux compris.

? Les avancés permises grâce au projet C-FLigHT impacteront simultanément deux champs distincts de la physique. C-FLigHT fournit à la physique quantique la possibilité d’étudier des états de la matière dans des situations originales tout en permettant de mieux comprendre le fonctionnement des dispositifs d’optique non-linéaire, bâtissant un pont entre ces deux domaines de recherche. Se concentrant sur des aspects aussi bien appliqués que fondamentaux, C-FLigHT favorisera l’émergence de la physique des fluides corrélées de lumière.

Coordination du projet

Simon Pigeon (Laboratoire Kastler Brossel)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LKB-UMR 8552 Laboratoire Kastler Brossel

Aide de l'ANR 400 000 euros
Début et durée du projet scientifique : mai 2016 - 42 Mois

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