Institut des
NanoSciences de Paris
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Soutenance de thèse de Mussie Beian - Mercredi 22 juin 2016 à 14 h

UPMC - 4 place Jussieu - 75005 Paris - Amphithéâtre Charpak - 2233-SB-02

Mussie Beian - doctorant dans l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » de l’INSP

« Spectral evidence for a condensate of dark excitons in a trap »

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Les excitons spatialement indirects, en tant que bosons composites, constituent des candidats intéressants pour l’exploration des systèmes corrélés à N-corps. Ils possèdent en effet un large dipôle électrique intrinsèque, une variété de spin quadruplement dégénérée, et peuvent être étudiés grâce à la photoluminescence émise lorsque les électrons et les trous se recombinent. Bénéficiant d’une masse extrêmement faible par rapport aux atomes, un gaz d’excitons indirects suffisamment dense devrait former un condensat de Bose-Einstein en-dessous d’une température critique de quelques degrés Kelvin. Des résultats théoriques récents montrent que cette condensation doit survenir au sein des états optiquement noirs de la variété de spin. Cependant, une augmentation de densité devrait amener le condensat à se coupler de manière cohérente avec une faible population d’excitons brillants. Il devient alors possible d’étudier le condensat par le biais de sa faible photoluminescence.

Ce manuscrit décrit nos expériences sur un gaz froid d’excitons indirects dans un double puits quantique intégré à un dispositif à effet de champs. Les excitons indirects sont générés optiquement par une excitation laser pulsée, d’une manière qui minimise les perturbations induites optiquement dans le dispositif à effet de champs. Le confinement est assuré en utilisant la nature dipolaire des excitons spatialement indirects. En effet ceux-ci sont attirés vers les zones de forts champs électriques qui sont créés grâce à des électrodes de surface polarisées de manière indépendante. Les analyses temporelles et spectrales de la photoluminescence permettent d’extraire le temps de déclin de la population d’excitons brillants tandis que le déclin de l’ensemble de la population d’excitons est contrôlé grâce à l’énergie de la photoluminescence. En maintenant une densité fixe tout en variant la température de l’échantillon, nous observons une réduction de la population des états brillants qui peut atteindre un facteur trois lorsque la température est diminuée de 3.5 à 0.33 K. Ceci contraste fortement avec le comportement classique et attendu d’un gaz froid d’excitons soumit à la statistique de Maxwell-Boltzmann. Ces résultats expérimentaux sont confirmés par un modèle phénoménologique montrant que la stimulation de Bose des états brillants vers les états noirs est compatible avec le noircissement anormal observé. Une diminution supplémentaire de la température du gaz d’excitons devraient ainsi pouvoir renforcer ces signatures. Néanmoins, dans le GaAs, l’interaction entre phonons et excitons est le principal mécanisme de refroidissement des excitons vers la dégénérescence quantique et l’efficacité de ce processus est fortement réduite pour des températures inférieures à 330mK. Nous avons donc développé une technique de contrôle du confinement des excitons in-situ, en pulsant la tension aux électrodes avec une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde. Notre approche repose sur une caractérisation complète de la fonction de transfert reliant la réponse des excitons indirects aux pulses de tension, c’est-à-dire à la force du potentiel de confinement. Notre méthode ne provoque aucune augmentation de la température de l’échantillon et ouvre donc la voie à l’exploration des processus de refroidissement évaporatif pour les gaz froids d’excitons indirects.

Composition du jury

François Dubin (INSP, Paris) - Co-Directeur de thèse
Pr. Maciej Lewenstein (ICFO-UPMC) - Co-directeur de thèse
Pr. Jérôme Tignon (Laboratoire Pierre Aigrain, Paris) - Examinateur
Pr. Hugues de Riedmatten (Institute for Photonic Sciences, Barcelona - Examinateur
Dr. Alberto Amo (Laboratoire de Photonique et Nanostructures, Marcoussis) - Examinateur
Dr. Rainer Mahrt (IBM Research, Zurich) — Rapporteur
Pr. Pavlos Savvidis (Department of Material Science, University of Crete) — Rapporteur