Polaritons de microcavité : relaxation spontanée et stimulée

Spontaneous and stimulated relaxation of microcavity polaritons

LPN-CNRS, route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.

Résumé

Lorsque un puits quantique est placé dans une microcavité optique, un régime de couplage fort peut s'établir entre le mode de cavité et le mode excitonique du puits. Les états propres du système sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. Ils présentent des relations de dispersion très différentes de celle de l'exciton. Pour les grands vecteurs d'onde, leur densité d'état est celle de l'exciton, tandis qu'au centre de la zone de Brillouin, elle est 10³ à 10⁴ fois plus faible. Cette propriété est prometteuse pour mettre en évidence la nature bosonique des polaritons, et donc des excitons. En effet, la faible densité d'états en centre de zone pourrait permettre d'obtenir un facteur d'occupation grand devant 1 d'un état partiellement excitonique. Ce grand facteur d'occupation pourrait par exemple se manifester par une stimulation de la relaxation par la population de l'état final.
Dans cet ouvrage, nous étudions la relaxation des polaritons par des expériences de photoluminescence et de réflectivité sous différentes conditions d'excitation. Nous montrons qu'une excitation non-résonante donne lieu à un goulet d'étranglement dans la relaxation des polaritons, avec une accumulation des polaritons dans les états de grand vecteur d'onde. Ce goulet disparaît en augmentant la densité d'excitation. En calibrant notre dispositif expérimental, nous montrons que des facteurs d'occupation proches de l'unité ne sont jamais obtenus en régime de couplage fort. La disparition du goulet d'étranglement n'est pas due à une stimulation de la relaxation mais à la mise en place de la diffusion polariton-polariton. 
En revanche, en créant, de façon résonante à l'aide d'un second faisceau, un facteur d'occupation grand en centre de zone, nous mettons en évidence la stimulation de la relaxation des polaritons qui se traduit par une amplification du faisceau résonant accompagnée d'une dépopulation des états de départ. Ces observations sont une manifestation de la nature bosonique des polaritons.

Abstract

In an optical microcavity containing quantum wells, the strong coupling regime can be achieved between the optical and excitonic modes. The eigenstates of the system are mixed exciton-photon states, named cavity polaritons. The polariton dispersion is very different from the exciton dispersion. For large in-plane wave vectors, the polariton density of states is close to the exciton density of states, but in the center of the Brillouin zone, it can be 10³ or 10⁴ smaller. This property is promising to evidence a manifestation of the bosonic nature of polaritons and excitons. Thanks to the weak density of states in the Brillouin zone center, a large occupation factor of a partially excitonic state could be obtained. This large occupation could give rise to a stimulation the polariton relaxation by the final state population.
In this experimental work, we study the relaxation of polaritons by performing photoluminescence and reflectivity measurements under various excitation conditions. Under non-resonant excitation, we evidence a bottleneck in the relaxation of polaritons, with an accumulation of polaritons in the large in-plane wave vector states. The relaxation bottleneck collapses when increasing the excitation density. By calibrating our experimental set-up, we show that polariton occupation factors close to one are never obtained in the strong coupling regime. The bottleneck collapse is not due to stimulated scattering but is due to the onset of polariton-polariton diffusion. 
On the contrary, using a second beam which resonantly creates a large occupation factor in a state of the Brillouin zone center, we evidence the stimulated scattering of polaritons which results simultaneously in a amplification of the resonant beam and a depopulation of the large in-plane wave vector states. These observations are a manifestation of the bosonic nature of polaritons.