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Engineering the spatial confinement of exciton polaritons in semiconductors

Résumé

We demonstrate three-dimensional spatial confinement of exciton-polaritons in a semiconductor microcavity. Polaritons are confined within a micron-sized region of slightly larger cavity thickness, called mesa, through lateral trapping of their photon component. This results in a shallow potential well that allows the simultaneous existence of extended states above the barrier. Photoluminescence spectra were measured as a function of either the emission angle or the position on the sample. Striking signatures of confined states of lower and upper polaritons, together with the corresponding extended states at higher energy, were found. In particular, the confined states appear only within the mesa region, and are characterized by a discrete energy spectrum and a broad angular pattern. A theoretical model of polariton states, based on a realistic description of the confined photon modes, supports our observations.

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Concepts associés (21)
Polariton
Les polaritons sont des quasiparticules issues du couplage fort entre une onde lumineuse et une onde de polarisation électrique. Plusieurs cas de figure sont possibles : L'onde de polarisation est un phonon optique, c’est-à-dire essentiellement l'oscillation mécanique de deux atomes de charge opposée à l'intérieur d'un cristal. Les polaritons phononiques ont été beaucoup étudiés par la spectroscopie Raman dans les années 1970 - 80 et ont permis de mesurer la constante diélectrique à haute fréquence dans les semiconducteurs.
Exciton
vignette|Représentation schématique d'un exciton de Frenkel, dans un cristal (points noirs). Un exciton est, en physique, une quasi-particule que l'on peut voir comme une paire électron-trou liée par des forces de Coulomb. Une analogie souvent utilisée consiste à comparer l'électron et le trou respectivement à l'électron et au proton d'un atome d'hydrogène. Ce phénomène se produit dans les semi-conducteurs et les isolants. En 2008, le premier dispositif électronique basé sur des excitons a été démontré, fonctionnant à des températures cryogéniques.
Photon
Le photon est le quantum d'énergie associé aux ondes électromagnétiques (allant des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible), qui présente certaines caractéristiques de particule élémentaire. En théorie quantique des champs, le photon est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons.
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