Superfluidité de polaritons dans les microcavités semiconductrices

Superfluidité de polaritons dans les microcavités semiconductrices

La superfluidité, propriété d’un fluide de s’écouler sans viscosité, est un phénomène quantique macroscopique particulièrement spectaculaire qui se produit lors de l’accumulation dans un même état d’un grand nombre de particules en interaction... Même si elle est en général observée lors de la condensation de Bose Einstein, ses liens avec cette dernière sont subtils. Découverte dans l’hélium liquide, la superfluidité met habituellement en jeu des particules matérielles : les atomes d’un liquide ou d’un gaz, ou les « paires de Cooper » électroniques des supraconducteurs. Des physiciens du Laboratoire Kastler Brossel en collaboration avec des théoriciens du Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques et de l’Université de Trento, ont observé pour la première fois l’écoulement superfluide de particules hybrides autour d’un obstacle. Ces particules sont des « polaritons », associant les excitations électroniques d’un milieu semi-conducteur et les photons d’un faisceau lumineux. Du fait de leur nature, les polaritons sont relativement aisés à manipuler avec un laser et pourraient ouvrir de nouvelles voies dans l’étude des fluides quantiques. Ce résultat a fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Physics.

Pour caractériser la superfluidité du fluide de polaritons, les physiciens ont utilisé une microcavité d’Arséniure de galium GaAs qu’ils ont refroidi à la température de 5 Kelvin et illuminé avec un spot laser infrarouge de 100 micromètres de diamètre. Ils ont alors observé l’interaction de l’écoulement de polaritons ainsi créé avec les défauts de structure de l’échantillon. La signature de la superfluidité est alors clairement mesurée : tant que la vitesse est inférieure une vitesse critique, l’écoulement n’est aucunement affecté par l’obstacle ; tandis qu’au delà de cette vitesse, le régime superfluide n’est plus accessible. On observe l’effet Cerenkov, avec l’apparition des fronts d’onde linéaires caractéristiques lorsque le fluide polaritonique rencontre un défaut. Les résultats expérimentaux sont en excellent accord quantitatif avec les prédictions théoriques. Les polaritons de microcavité pourraient ainsi constituer un nouveau système très flexible pour explorer la physique des fluides quantiques hors équilibre.

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Visualisation de l’écoulement des polaritons.
Au-delà d’une vitesse seuil, les polaritons se comportent comme un gaz supersonique. L’interaction avec un défaut ponctuel se traduit par l’apparition dans le fluide photonique de fronts d’ondes linéaires.

Superfluidity of polaritons in semiconductor microcavities, Alberto Amo, Jérôme Lefrère, Simon Pigeon, Claire Adrados, Cristiano Ciuti, Iacopo Carusotto, Romuald Houdré, Elisabeth Giacobino et Alberto Bramati, Nature Physics 5, 805 - 810 (2009).

Cette actualité a fait l’objet d’un Fait marquant 2009

Contact chercheur

Elisabeth Giacobino, chercheur
Alberto Bramati, enseignant-chercheur
Alberto Amo, post-doctorant

Informations complémentaires

Laboratoire Kastler Brossel, UMR 8552 :

Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, UMR 7162 :

BEC-CNR-INFM and Dipartimento di Fisica, Universita di Trento, Italie

Institut de Photonique et d’Electronique Quantique, (IPEQ), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse,

Contacts INP

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Catherine Dematteis,
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inp-communication cnrs-dir.fr