Polariton de microcavite

Polariton de microcavite

NOM Prenom : BATISTE Martin Responsable pedagogiques UTT : Christophe COUTEAU Titre du stage Branche : MTE3 Annee : 2010 Semestre : Automne Mise en place et exploitation d’une experience de photonique visant a caracteriser la reflectivite d’une microcavite semi-conductrice dans le but d’observer le phenomene de polariton. Resume L’objectif de ce stage consistait a etudier le comportement d’une microcavite semiconductrice en determinant la reflectivite de celle-ci.

Ceci en modifiant la longueur d’onde d’un laser dans une gamme spectrale precise; la mise en place et le controle de tous les elements d’optiques de l’experience etant une partie integrante du stage. ? ? ? ? ? La realisation de ce projet s’est effectuee en plusieurs etapes : Developpement conceptuel de l’experience. Caracterisation des elements optiques necessaires Developpement d’applications informatiques permettant de collecter les donnees a l’aide de l’environnement de programmation LABIEW. Mise en place technique de l’experience.

Exploitation des resultats. Les resultats de cette experience permettent de degager l’influence des elements qui la compose (en particulier le laser) sur le phenomene a observer. Ce projet de recherche fondamentale s’inscrit dans une thematique liee a l’etude des polaritons, phenomene presentant un interet important dans le domaine de la photonique et de la mecanique quantique. Entreprise

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: Lieu : Photonics Group University of Innsbruck Mots cles : Recherche fondamentale Services non-marchands Optique, Optoelectronique Materiaux

Responsable : Professor Gregor Weihs Remerciements Premierement je tiens a remercier mon superviseur, Gregor Weihs pour m’avoir offert ce projet tres interessant a l’Universite d’Innsbruck. Je tiens aussi a remercier naturellement Zoltan Voros, Maryam Boozarjmehr et Patrick Mai qui furent toujours disponibles pour d’aider et me conseiller tout au long de mon projet. Merci a Chrirtophe Couteau qui m’a permis d’obtenir ce stage en Autriche et m’a soutenu pendant ces six mois.

Enfin je souhaite remercier tous les membres (etudiants et post-doctorants) du laboratoire de photonique qui ont contribue directement au indirectement au bon deroulement de mon projet et avec qui j’ai partage de tres bons moments. Sommaire 1. Introduction 1. 1. Introduction generale 1. 2. L’Universite d’Innsbruck 1. 3. Le groupe de photonique 3 2. Mise en place conceptuelle 2. 1. Rappel sur les semiconducteurs 2. 2. Microcavites polaritoniques 2. 2. 1. La microcavite 2. 2. 2. Polariton de microcavite 4 5 6 3. Methode 3. 1. Principe de l’experience 3. 2.

L’echantillon 7 3. 3. Le Tekhnoscan 4. Resultats 4. 1. Spectre du Tekhnoscan 4. 2. Experience a temperature ambiante 4. 3. Experience a basse temperature 9 10 11 5. Conclusion TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 2 1. Introduction 1. 1. Introduction generale J’ai effectue mon stage de TN09 a l’Universite d’Innsbruck (Autriche) au sein du group de photonique. Le sujet general du stage etait d’etudier le comportement de microcavites semiconductrices. A l’origine, the projet etait different de celui qui m’a ete donne au debut de la periode.

L’objectif initial etait de fabriquer des microcavites avec une energie de gap electrostatiquement modifiable. Finalement le sujet a ete modifie pour un projet assez similaire : l’etude de microcavites semiconductrices en realisant une experience pour determiner la reflectivite de celles-ci et observer un phenomene appele polariton. Ce dossier est un resume d’un rapport plus complet redige en anglais. Il comporte une breve presentation de l’universite, une explication des concepts etudies, un developpement de la methode employee et l’exploitation de resultats obtenus. 1. 2. L’Universite d’Innsbruck

L’Universite d’Innsbruck est une vieille universite europeenne, basee au milieu du Tyrol. Il s’agit d’une des plus grandes institutions d’Autriche en termes d’education et de Recherche. Pres de 26000 etudiants suivent des cours a l’universite dans des domaines tres varies. D’un point de vue historique l’universite fut etablie en 1669 par l’empereur Leopold 1er, elle connu de nombreuses mesaventures pendant 150 ans, pendant lesquels l’universite acquit une certaine polyvalence. En 2002, elle fut reorganisee en 15 facultes specialisees dans des domaines allant de la Physique fondamentale a la Sociologie.

Aujourd’hui, l’universite est toujours partitionnee de la meme maniere. L’universite est aujourd’hui une tres importante universite europeenne, elle est tres bien classee dans differents classements mondiaux. Elle rayonne notamment depuis 2 ans grace a une Recherche tres performante et active. Le groupe de photonique est une partie de l’institut pour l’optique quantique et l’information quantique (IQOQI). Cet institut cree en 2003 se divise entre Vienne et Innsbruck et se focalise entre autre sur l’existence d’etats de superposition et l’enchevetrement d’etats quantiques. 1. 3.

Le groupe de photonique Le groupe de photonique est une structure recente fondee en 2008. Le laboratoire realise des experiences en optique quantique, optique non lineaire, optique des semiconducteurs. Le laboratoire cherche notamment a obtenir des sources de photons uniques et des paires de photons imbriquees basee sur des nanostructures semi-conductrices. Le but ultime des chercheurs est d’integrer les experiences d’optique quantique a des puces semiconductrices. Le projet detaille ci-dessous fait partie integrante d’un theme de recherche associee au polariton de microcavite.

Le groupe de photonique est dirige par le professeur Gregor Weihs. Aujourd’hui a Innsbruck, il a approfondis au cours de sa carriere des questions d’optique quantique entre Innsbruck, Vienne, Tokyo ou encore le Canada. TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 3 2. Mise en place conceptuelle 2. 1. Rappel sur les semiconducteurs La quasi-totalite des experiences du laboratoire de photonique sont realises sur des echantillons appeles microcavites. Ces microcavites sont des structures a deux dimensions faites d’une superposition de couches de semiconducteurs.

Un semiconducteur est un materiau qui se comporte entre l’etat conducteur et l’etat isolant. Ce type de materiau est a la base de toute l’electronique moderne mais possede d’interessantes proprietes dans le domaine de l’optique. Pour comprendre le comportement d’un semi-conducteur, il faut savoir apprehender les concepts de bandes d’energie. Tout materiau possede deux bandes, la bande de valence et la bande de conduction. La capacite des electrons a sauter d’une bande a l’autre (valence vers conduction) determine la nature du materiau. Dans un isolant les deux bandes sont trop eloignees en energie pour permettre aux electrons ce saut.

Dans un conducteur ces bandes sont imbriquees la conduction est immediate. Dans les semiconducteurs ces bandes sont a distance intermediaires (distance = gap) le saut d’un electron d’une bande a l’autre se fait dans des cas precis : lorsqu’on applique une tension ou lorsqu’on applique une excitation lumineuse adequate. Le transfert d’un electron entre les deux bandes se fait de la maniere suivante : un electron dans la bande de conduction tombe dans un trou de la bande de valence, cette recombinaison d’une paire electron trou emet un photon (E=h? ) d’energie correspondant a l’energie du gap.

Ce phenomene est reversible et particulierement utile en photonique car on peut appliquer un faisceau sur un tel semiconducteur et recuperer un courant proportionnel a l’intensite du faisceau. 2. 2. Microcavites polaritoniques 2. 2. 1. La microcavite Une microcavite est une structure semiconductrice (2D) qui confine une couche active (ou puits quantique) situee au milieu de la structure ; cette couche est entouree d’un reseau de Bragg compose de nombreuses couches semiconductrices. Un reseau de Bragg (DBR) se compose d’une alternance repetee de deux couches semiconductrices, chaque couche provoque une reflexion partielle du faisceau.

La succession de ces couches permet d’avoir un comportement identique a deux miroirs face a face (variation de l’indice de refraction entre les deux couches). Ainsi la couche active est parfaitement excitee par le faisceau incident et rentre en resonance avec celui-ci. La microcavite se comporte comme un miroir seulement sur une certaine gamme de longueur d’onde du faisceau (appelee bande stop). Hors de cette zone les deux reseaux de Bragg n’ont plus du tout une reflectivite tres proche de 1. Les phenomenes a observer doivent se manifester obligatoirement dans la bande stop pour esperer les voir.

Structure d’une microcavite et repartition de l’indice de refraction TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 4 2. 2. 2. Polariton de microcavite Une notion importante est a apprehender si l’on veut comprendre le polariton : il s’agit de l’exciton. C’est une quasi-particule neutre compose d’un electron et d’un trou lie par des interactions de Coulomb. L’absorption d’un photon par la microcavite cause la formation de l’exciton. L’electron vient de la bande de valence et le trou de la bande conduction.

Un exciton a une duree de vie de quelques picosecondes apres ca l’electron tombe dans le trou. Un polariton est une quasi-particule aussi formee par un exciton et un photon. Un polariton est une quasi-particule entre la lumiere et la matiere qui a une tres faible masse. Le schema cidessous detaille la formation d’un polariton. Schema d’un polariton et dependence du vecteur d’onde (gauche) Courbe de dispersion du polariton (droite) On voit donc le photon incident exciter un exciton, la phase suivante est celle du polariton, celui-ci fini par disparaitre lorsque l’exciton s’eteint.

Le polariton n’existe que pour une duree comprise entre 5ps et 20ps. Les polaritons se comportent comme des bosons : ils peuvent s’accumuler dans le meme etat quantique, c’est ce qui les rend si interessant pour la Recherche. Lorsque le polariton est present, il n’y a ni photon ni exciton, le polariton est a ce moment la une entite a part entiere avec un comportement particulier. L’exciton et le photon sont fortement couples et ceci donne lieu a la formation de deux modes de polariton.

La courbe de dispersion des polariton fait apparaitre un anti-croisement des 2 modes lie au couplage photon/exciton. Le polariton est extremement dependant du vecteur d’onde du faisceau incident (correspondant en fait a l’angle d’incidence), on peut reduire l’angle a la composante k|| du vecteur d’onde k, la valeur de k est conservee lorsque le photon emanent du polariton quitte la microcavite. Les deux modes de polariton sont appeles bas polariton et haut polariton. A k||= 0 il y a plus de polariton dans le mode bas polariton, plus k|| augmente et plus cette situation s’inverse.

L’experience que j’ai realisee consiste a observer ces deux modes de polariton en etudiant la reflectivite de la microcavite, ainsi on est cense observer une diminution nette (pics tres fins) de la reflectivite en presence de polaritons qui absorbent les photons. On peut ainsi degager le meme type de courbe que celle presentee plus haut. Grace a leur faible masse, les polaritons peuvent parfois etre observables a temperature ambiante, cependant des resultats bien meilleurs sont obtenus a basse temperature (autour de 10 Kelvin).

Le polariton est une manifestation interessante d’une accumulation de quasi-particules. C’est un phenomene tres etudie pour observer des manifestations quantiques a l’echelle macroscopique, puisqu’il forme des condensats de Bose-Einstein a temperature ambiante. Pour ces raisons et parce qu’ils sont faciles a detecter optiquement, les polaritons sont tres etudie dans la Recherche fondamentale actuelle. TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 5 3. Methode 3. 1. Principe de l’experience

L’experience visant a caracteriser la reflectivite d’une microcavite a ete realise a temperature ambiante et a basse temperature. Deux montages ont ete necessaires mais le principe de l’experience est exactement le meme pour les deux montages. L’objectif technique d’une experience en reflexion est de collecter le faisceau reflechis par l’echantillon et d’en determiner l’intensite. Mais il faut aussi collecter un faisceau referent qui ne subi aucun bouleversement pour qu’il puisse etre compare au faisceau reflechis (on doit donc separer le faisceau incident avec un separateur de faisceau).

On peut ainsi en degager la reflectivite intrinseque de l’echantillon et utiliser ce procede en faisant varier la longueur_d’onde. Schema de l’experience complete Le faisceau emanent du laser rentre dans le Tekhnoscan (instrument permettant de modifier la longueur d’onde). Ensuite le faisceau est separe en deux, une faible partie va dans un appareil qui mesure avec une grande precision la longueur d’onde. La partie principale du faisceau est separee a nouveau par un separateur de faisceau (50%/50% d’intensite). La moitie du faisceau est collectee dans un hoto-detecteur (reference) l’autre partie est reflechie a 90° par un miroir puis passe a travers une lentille, le faisceau est enfin reflechi sur la microcavite, ce meme faisceau reflechi est finalement collecte par un photo-detecteur similaire au precedent. Les photo-detecteurs, la mesure de la longueur d’onde et le Tekhnoscan sont connectes a un ordinateur pour les controler ou recuperer des donnees. La position du miroir est ajustable (fleche sur le schema) ; ainsi on peut changer l’angle d’excitation du faisceau sur l’echantillon.

La microcavite etant a la distance focale de la lentille, si la position du miroir bouge, le faisceau se deplace le long de la lentille et le faisceau est focalise differemment avec un certain angle d’incidence et donc de reflexion. On peut donc modifier la valeur de k||. Pour les experiences a basse et temperature ambiante, les photo-detecteurs etaient differents. Pour l’experience a temperature ambiante, il s’agissait de deux photodiodes amplifiees, ils avaient la meme reponse en tension lorsqu’on leurs appliquaient differentes intensites lumineuses.

TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 6 Les deux tensions etaient ensuite converties en signaux numeriques par un convertisseur analogique numerique. Ce convertisseur etait relie a un ordinateur qui recuperait instantanement les donnees sur l’environnement LABVIEW. Pour l’experience a basse temperature, les deux photo-detecteurs etaient des detecteurs de puissance relies a un puissance-metre lui-meme connecte a un ordinateur pour recuperer les donnees sur LABVIEW. 3. 2. L’echantillon

La composition de la microcavite utilisee est la suivante : reseau de Bragg forme d’une alternance d’Arseniure de Gallium (GaAs) et d’Arseniure d’Aluminium (AlAs). Le puits quantique est une fine couche de Gallium Indium Arseniure. La bande stop de cette microcavite est dans la gamme de longueur d’onde du Tekhnoscan (850 nm – 950 nm), ce qui est essentiel pour observer des polaritons. Le graph ci-dessous montre la reflectivite supposee (fournie par le fabricant) de la microcavite, la courbe rouge est une mesure a 10 Kelvin tandis que la noir une mesure a 300 K.

On peut distinguer clairement la bande stop ainsi qu’un pic faible a 910 nm correspondant au mode du bas polariton. Comportement suppose de la microcavite en fonction de la longueur d’onde Les couches semiconductrices ont des epaisseurs variables en fonction de la position le long de la piece, notamment le puits quantique. Cette modification est due a la methode de grandissement par epitaxie des echantillons qui occasionne une repartition inegale des depots. Cette difference d’epaisseur le long de l’echantillon a pour consequence de modifier les caracteristiques de reflectivite de la microcavite.

On peut donc s’attendre a observer differents comportements a differentes position de l’echantillon. 3. 3. Le Tekhnoscan La tete Laser Tekhnoscan est un instrument permettant de modifier la longueur d’onde d’un faisceau dans une gamme spectrale comprise entre 850 nm et 950 nm. Le Tekhnoscan se compose de plusieurs miroirs et deux elements majeurs : un filtre birefringent et d’un etalon fin. La longueur d’onde est selectionnee grace a trois plaques en quartz qui compose un filtre birefringent, celui-ci est monte sur un moteur pas a pas qui permet de tourner le filtre etape par etape.

Ce procede permet de faire un reglage grossier de la longueur d’onde. L’etalon est un interferometre de Fabry Perot. Il permet de modifier la longueur d’onde plus precisement en inclinant la position de l’etalon. En theorie une etape du moteur pas a pas modifie la TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 7 longueur d’onde de 0. 5 nm, une inclinaison adaptee de l’etalon permet de faire le lien entre deux etapes du moteur et ainsi faire varier de maniere continue la longueur d’onde. Le controle du moteur pas a pas et de l’etalon se fait par ordinateur.

L’interface fournie pour controler ces deux elements etait developpee sur l’environnement Labwindows CVI. Cet environnement etant complique a utiliser j’ai du creer une nouvelle application developpee cette fois ci sous LABVIEW qui est un environnement de programmation beaucoup plus utilise par les membres du laboratoire. Un convertisseur analogique/numerique (CAN/CNA) permettait de faire le lien entre le Tekhnoscan et l’ordinateur. Ce CAN etait un produit russe (USB3000) qui servait d’intermediaire. Pour developper une nouvelle application il fallait s’appuyer sur les fichiers sources de ce produit.

Le probleme fut que ces fichiers etaient quasiment illisibles sur de nombreux environnements de programmation. Nous decidames donc de creer notre propre boite de controle du Tekhnoscan pour eviter d’utiliser l’USB3000. Cette nouvelle boite de controle se compose d’un microcontroleur et d’un CAN/CNA. Le microcontroleur etant programmable, il contient un code C permettant de realiser des fonctions efficaces pour les reglages de la longueur d’onde. Chaque fonction est appelee independamment grace a une application developpee sur LABVIEW faisant le lien entre l’ordinateur et le microcontroleur.

On peut ainsi bouger a la fois le moteur pas a pas et l’etalon a partir d’une interface LABVIEW. Face avant de l’interface LABVIEW du Tekhnoscan (droite) Vue interieur de l’interface de controle creee (gauche) TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 8 4. Resultats 4. 1. Spectre du Tekhnoscan La premiere mesure effectuee fut de caracteriser le comportement du Tekhnoscan. Pour ce faire, il suffit de remplacer l’echantillon par un miroir. La mesure fut effectuee a temperature ambiante. La longueur d’onde fut scannee de 860 nm a 940 nm pour determiner la variation de puissance a la sortie du Tekhnoscan, grace deux photo-detecteurs on a pu aussi determiner le spectre de reflectivite du Tekhnoscan. Reflectivite du faisceau laser emanent du Tekhnoscan (droite) Intensite du faisceau laser emanent du Tekhnoscan (gauche) Variation de la longueur d’onde (bas) On peut observer la variation de puissance en fonction de la longueur d’onde. La puissance de sortie est maximale a 895 nm et la gamme spectrale est plus courte que prevue. On remarque surtout que la courbe n’est absolument pas lisse, la puissance de sortie fluctue enormement ce qui gene la precision des mesures.

Ces fluctuations sont confirmees par le spectre de reflectivite, elles semblent meme etre periodiques, ceci est peut etre du a une polarisation « residuelle » du faisceau a l’interieur du Tekhnoscan. Un autre probleme de taille est revele par ces resultats. Si on regarde la variation de la longueur d’onde, celle-ci n’est absolument pas continue (alors qu’elle devrait l’etre), la longueur d’onde saute d’une longueur d’onde a l’autre avec un ecart de quasiment 1 nm. Le mouvement de l’etalon ne permet absolument pas de couvrir un « saut » de longueur d’onde.

Ce defaut du a la qualite du Tekhnoscan lui-meme est un probleme majeur car les pics de polaritons que nous sommes censes observer sont tres etroits et peuvent se cacher entre deux points sur la courbe. 4. 2. Experience a temperature ambiante L’experience a temperature ambiante fut prealablement realisee sur un echantillon de silicium. Cette experience de verification permit de confirmer la qualite du montage puisque les resultats confirmerent que la plaque de silicium avait bien une reflectivite de 30% comme prevu. TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck L’experience fut ensuite realisee sur la microcavite. De nombreuses mesures furent effectuees pour determiner la reflectivite de la microcavite en fonction de la longueur d’onde a deux endroits differents sur l’echantillon. Reflectivite de la microcavite a temperature ambiante a deux positions differentes sur l’echantilllon On remarque sur le graphe de gauche que la reflectivite est de 100%, on se situe dans la bande stop de la microcavite. On observe les fluctuations dues au Tekhnoscan et la non continuite de la longueur d’onde.

On n’observe pas d’ebauche de pics de polariton (autour de 910 nm) en raison des problemes exposes plus hauts. Sur le graphe de droite, on remarque deux gros pics, ils correspondent aux pics du reseau de Bragg ils se sont deplaces le long de la gamme spectral en raison de la variation d’epaisseur du puits quantique et des couches du reseau de Bragg. Sur ce graphe non plus il n’est pas possible d’observer des polaritons. 4. 3. Experience a basse temperature Le principe de l’experience fut reedite a basse temperature (7K) car les polariton s’observent plus facilement a faible temperature. La microcavite fut placee dans un cryostat, le ontage etait different du precedent et moins precis a cause de problemes techniques engendre par la presence du cryostat. La mesure fut executee a la meme position sur l’echantillon que le graphe de droite precedent. Reflectivite de la microcavite a basse temperature On observe que la reflectivite est diminuee et que la ligne de base est inclinee, ceci est du a une moins bonne qualite du montage. Dans ce cas non plus il n’est pas possible d’observer des pics de polaritons. Les pics du reseau de Bragg sont toujours presents et meme legerement deplaces par rapport a leurs positions precedentes.

TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 10 5. Conclusion Ce projet de TN09 s’interessait au phenomene de polaritons de microcavite. L’etude consistait a determiner la reflectivite d’une microcavite en fonction de la longueur d’onde. L’objectif final etait de degager la courbe de dispersion des polaritons au sein de la microcavite. Une experience a donc ete mise en place, les elements necessaires au montage furent agences et caracterises, des applications informatiques et des circuits electroniques furent developpes pour permettre de faire varier la longueur d’onde et recuperer les donnees sur une interface.

Une fois l’experience lancee, nous nous sommes apercu que le Tekhnoscan n’avait pas du tout le comportement escompte. Pour cette raison la precision des mesures n’etait pas optimale. L’observation de polariton au cours de l’experience n’a pas ete rendu possible pour plusieurs raisons : ? Mauvaise qualite du montage de l’experience a basse temperature. ? Pics du reseau de Bragg deplaces autour de la longueur d’onde attendue des pics de polariton. Ceci cause par la variation d’epaisseur des couches semiconductrices. ? Fluctuations periodiques de l’intensite du faisceau emanent du Tekhnoscan. Comportement inattendu du Tekhnoscan dans la gamme spectral 850-950 nm. ? Modification de la longueur d’onde non continue. ? Manque de temps pour realiser l’experience a basse temperature, a une autre position sur l’echantillon. D’un point de vue personnel, cette experience fut tres enrichissante. J’ai pris part a la vie d’un laboratoire, j’ai fais preuve de curiosite pour mon projet, pour les autres experiences du laboratoire ainsi que pour des projets tres interessant presentes aux seminaires auxquels j’ai assiste.

J’ai developpe des competences inattendues en electronique comme en informatique (LABVIEW). J’ai mis en application particulierement des competences acquises en MA11, MA12 et MA14. J’ai partage des moments tres agreables et epanouissants avec les membres du laboratoire ainsi qu’avec toutes les personnes que j’ai rencontre dans ce magnifique Tyrol. La vie en Autriche s’est averee vraiment plaisante, les autrichiens sont tres souriants et tres simples. TN09 Martin BATISTE (Resume en francais), Universite d’Innsbruck 11