Condensation de Bose-Einstein à l’état solide : Les polaritons excitoniques dans une microcavité
Benoit Deveaud (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, Suisse)

Jeudi 21 décembre 2006

L’idée d’une possible condensation de Bose à l’état solide a été proposée dès le début des années 60, quand les théoriciens se sont rendus compte des températures extrêmes nécessaires à une condensation standard pour des gaz atomiques. L’avantage dans un solide est que l’on essaie de condenser des quasiparticules telles que les excitons (une paire électron-trou dans un semi-conducteur) qui ont une masse de l’ordre de celle d’un électron, c’est à dire 10^6 fois au moins plus faible que celle d’un atome de rubidium. Les températures de transition deviennent alors en principe abordables (de l’ordre de 1K), le prix à payer étant le désordre inhérent au solide et la durée de vie limitée de ces quasi-particules. De nombreuses publications ont, au cours des 20 dernières années, fait état d’une condensation dans l’état solide, sans que la communauté scientifique ne parvienne à un accord unanime sur la réalité de la démonstration.
Nous avons décidé de travailler avec des polaritons, quasiparticules constituées pour moitié d’un exciton (donc une paire électron-trou) et d’un photon confiné. Ces particules sont des bosons avec une masse 5 ordres de grandeur plus faible que celle d’un électron. En principe, une condensation à des températures de l’ordre de 100 K est envisageable. Le prix à payer est la durée de vie incroyablement courte de ces quasiparticules : un picoseconde. Ceci devait, pensait-on, rendre impossible une thermalisation adéquate des polaritons.
Nous démontrerons au cours de notre exposé que, nous obtenons une distribution thermalisée de polaritons à 19K, que cette distribution est bien décrite par une statistique de Bose avec une population macroscopique de l’état fondamental au dessus du seuil. Dans de telles conditions, nous observons une réduction de la largeur spectrale de l’état fondamental accompagnée d’une augmentation de la cohérence temporelle. Une polarisation spontanée s’établit sur l’ensemble du système et enfin, nous démontrons la cohérence spatiale à longue portée attendue au dessus de la transition de phase.
Nous établissons enfin qu’il existe une deuxième transition vers un laser classique, qui se produit à des densités cent fois plus fortes, et donc pouvons affirmer que nous sommes en présence d’une phase condensée de polaritons dans l’état solide, et non pas d’un laser à semiconducteur classique.

Travail effectué en collaboration étroite entre l’Université de Grenoble, l’EPFL et l’Université de Cambridge.
- J. Kasprzak, R. André, Le Si Dang (Université de Grenoble)
- M. Richard, S. Kundermann, A. Baas, J. L. Staehli, V. Savon (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne)
- J. M. J. Keeling, F. M. Marchetti, M. H. Szymanska, P. B. Littlewood (Université de Cambridge)