Cavity quantum electrodynamics and intersubband polaritonics of a two dimensions electron gas
Institution:
Paris 7Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis treats of different aspects of the physics of intersubband polaritons, low energy excitations in microcavity embedded quantum wells. These excitations result from the coupling of an electronic transition between two conduction subbands in a quantum well and a microcavity photon mode. One of the peculiarities of such Systems is the extremely strong coupling between light and matter, that led the researchers to introduce the term "ultra-strong coupling. As I show in the first part of this thesis, such ultra-strong coupling can be exploited, modulating the light-matter coupling, to produce a quantum vacuum radiation reminiscent of the dynamical Casimir effect. Then I study the effect of the strong light-matter interaction on horizontal electron transport through the quantum well and its influence on electroluminescence, both in the coherent and incoherent injection regimes. I show how strong light-matter coupling can be exploited in order to improve the efficiency of such structures as light emitting devices, giving the first evidence of a strong coupling version of the Purcell effect. Finally I show how polariton scattering due to the interaction with optical phonons can become stimulated, leading to an high efficiency inversionless laser, lasing in the mid- and far-infrared range of the electromagnetic spectrum.
Abstract FR:
Ma thèse porte sur plusieurs aspects de la physique des polaritons inter-sous-bandes, excitations mixtes, moitié lumière et moitié matière dans des microcavités intégrant des puits quantiques. Ces excitations se caractérisent par la force extrême du couplage lumière-matière, qui a poussé les chercheurs à introduire le terme couplage ultra-fort. Dans la première partie de ma thèse, j'étudie les conséquences de ce couplage ultra-fort en présence d'une modulation externe appliquée au système. Je montre qu'une radiation peut être émise à partir du vide, effet qui rappelle de près l'effet Casimir dynamique. J'étudie ensuite la manière dont le couplage fort lumière-matière peut influencer le transport électronique et les expériences d'électroluminescence. Dans ce but, j'ai développé des méthodes analytiques et numériques que j'ai exploitées pour montrer qu'il est possible d'augmenter grandement l'efficacité quantique des LEDs basées sur des transitions intersous-bandes. J'ai aussi donné une première preuve d'extension de l'effet Purcell au régime de couplage fort. Enfin, dans ma dernière partie, j'ai développé la théorie du scattering stimulé entre polaritons inter-sous-bandes dû au couplage avec des phonons optiques. Je montre que ce mécanisme peut être exploité afin d'obtenir des lasers sans inversion de population avec un seuil extrêmement bas.