THz ultra-strong light-matter coupling up to 200K with continuously-graded parabolic quantum wells

Continuously graded parabolic quantum wells with excellent optical performances are used to overcome the low-frequency and thermal limitations of square quantum wells at terahertz frequencies. The formation of microcavity intersubband polaritons at frequencies as low as 1.8 THz is demonstrated, with a sustained ultra-strong coupling regime up to a temperature of 200K. It is additionally shown that the ultra-strong coupling regime is preserved when the active region is embedded in sub-wavelength resonators, with an estimated relative strength $\eta = \Omega_R / \omega_0 = 0.12$. This represents an important milestone for future studies of quantum vacuum radiation because such resonators can be optically modulated at ultrafast rates, possibly leading to the generation of non-classical light via the dynamic Casimir effect. Finally, with an effective volume of $2.10^{-6} \lambda_0^3$, it is estimated that fewer than 3000 electrons per resonator are ultra-strongly coupled to the quantized electromagnetic mode, proving it is also a promising approach to explore few-electron polaritonic systems operating at relatively high temperatures.Comment: 7 pages, 4 figure

Nouveaux concepts d'émetteurs polaritoniques dans les gammes spectrales du moyen-infrarouge et THz

The mid-infrared and terahetz bands of the electromagnetic spectrum have seen significant growth in applications in recent years, both in telecommunications and in the environmental and medical sciences.This interest is driving the demand for ever more compact and efficient sources and detectors.In this context, the development of coherent photon sources using the strong light-matter coupling regime is a promising avenue.Two axes of study of such sources will be explored in this thesis.First, a new approach to obtain mid-infrared photon emission through resonant optical pumping of intersubband polaritons was studied.This type of spontaneous emission is based on the use of non-dispersive cavities, allowing in principle to increase the phonon-polariton scattering rate and thus to reach more easily the threshold intensity of the coherent emission.The demonstration of photon emission in this configuration opens up the possibility of exploring this emission in a stimulated scattering regime by populating the final state of the system with a probe beam.In a second step, the focus will be on the THz domain. In order to overcome the thermal limitation imposed by the low energy of THz transitions, interdigitated parabolic quantum wells can be used to obtain resonant absorption up to 300K.To overcome the broadening introduced by multiple interfaces, alloy gradient wells were developed in collaboration with the University of Waterloo, Canada. This design resulted in very high quality THz transitions and an improvement in the operating temperature of the strong coupling regime by 170K.A particularity of intersubband polaritons is the possibility to obtain a high coupling constant through doping of the semiconductor.Consequently, these polaritons have been a platform of choice for demonstrating the ultra-strong coupling regime, in which the fundamental level of the system is populated by a non-negligible population of virtual photons.Theoretical studies have predicted that a non-adiabatic modulation of the ground state of the system, i.e. on a time scale smaller than the lifetime of the polaritons, this pool of light can be accessed.It is then possible to see these virtual photons being emitted as real photons. To explore this effect, three-dimensional LC cavities have been functionalised to achieve ultra-fast switching of their resonant frequency.Their development and characterisation by time-resolved THz spectroscopy will be presented.By using low temperature epitaxial GaAs, sub-picosecond modulation times have been achieved.Finally, the combination of these ultrafast switches with parabolic graded alloy quantum wells has allowed the achievement of a strong light-matter coupling regime between them.Le moyen infrarouge et le terahetz sont des bandes de fréquences du spectre électromagnétique dont le domaine applicatif a vu une croissance importante ces dernières années, aussi bien pour les télécommunications que pour les sciences environnementale et médicale.Cet intérêt pousse la demande pour des sources et des détecteurs toujours plus compactes et efficaces.Dans cette optique, la mise au point de sources de photons cohérents utilisant le régime de couplage fort lumière-matière est une voie prometteuse. Deux axes d'étude de telles sources seront explorés dans cette thèse.Dans un premier temps, une nouvelle approche pour obtenir de l'émission de photon dans le moyen infrarouge par le biais du pompage optique résonant de polaritons intersousbandes a été étudié.Ce type d'émission spontanée se base sur l'utilisation de cavités non-dispersives, permettant en principe d'augmenter le taux de diffusion phonons-polaritons et donc d'atteindre plus facilement l'intensité seuil de l'émission cohérente.La démonstration de l'émission de photon dans cette configuration ouvre la possibilité d'explorer cette émission dans le cadre d'un régime de diffusion stimulé en peuplant l'état final du système par le biais d'un faisceau de sonde.Dans un second temps, l'attention sera été portée sur le domaine du THz.Afin de contourner la limitation thermique imposée par la faible énergie des transition THz, des puits quantiques paraboliques interdigités peuvent être utilisés afin d'obtenir une absorption résonante jusqu'à 300K.Pour s'affranchir de l'élargissement qu'introduit la multiplication des interfaces, des puits à gradient d'alliage ont été mis au point en collaboration avec l'université de Waterloo, Canada.Ce design a permis d'obtenir des transition THz de très haute qualité et une amélioration de la température d'opération du régime de couplage fort de 170K.Une particularité des polaritons intersousbandes est la possibilité d'obtenir une constante de couplage élevée par le biais du dopage du semiconducteur.Par conséquent, ces polaritons ont été une plateforme de choix pour la démonstration du régime de couplage ultra-fort, régime dans lequel le niveau fondamental du système se peuple d'une population de photons virtuels non négligeables.Des études théoriques ont prédit qu'une modulation non-adiabatique de l'état fondamental du système, c'est-à-dire sur une échelle de temps plus faible que le temps de vie des polaritons, ce réservoir de lumière peut être accédé.Il est alors possible de voir ces photons virtuels être émis sous forme de photons réels.Pour explorer cet effet, des cavités LC tridimensionnelles ont été fonctionnalisées afin d'obtenir la commutation ultra-rapide de leur fréquence de résonance.Leur développement et caractérisation par spectroscopie THz résolue en temps seront présentés. Par l'utilisation de GaAs épitaxié à basse température, des temps de modulation sous la picoseconde ont été atteints.Enfin, la combinaison de ces interrupteurs ultrarapides avec des puits quantiques paraboliques à gradient d'alliage a permis l'obtention d'un régime de couplage fort lumière-matière entre ces derniers

Nouveaux concepts d'émetteurs polaritoniques dans les gammes spectrales du moyen-infrarouge et THz

Le moyen infrarouge et le terahetz sont des bandes de fréquences du spectre électromagnétique dont le domaine applicatif a vu une croissance importante ces dernières années, aussi bien pour les télécommunications que pour les sciences environnementale et médicale.Cet intérêt pousse la demande pour des sources et des détecteurs toujours plus compactes et efficaces.Dans cette optique, la mise au point de sources de photons cohérents utilisant le régime de couplage fort lumière-matière est une voie prometteuse. Deux axes d'étude de telles sources seront explorés dans cette thèse.Dans un premier temps, une nouvelle approche pour obtenir de l'émission de photon dans le moyen infrarouge par le biais du pompage optique résonant de polaritons intersousbandes a été étudié.Ce type d'émission spontanée se base sur l'utilisation de cavités non-dispersives, permettant en principe d'augmenter le taux de diffusion phonons-polaritons et donc d'atteindre plus facilement l'intensité seuil de l'émission cohérente.La démonstration de l'émission de photon dans cette configuration ouvre la possibilité d'explorer cette émission dans le cadre d'un régime de diffusion stimulé en peuplant l'état final du système par le biais d'un faisceau de sonde.Dans un second temps, l'attention sera été portée sur le domaine du THz.Afin de contourner la limitation thermique imposée par la faible énergie des transition THz, des puits quantiques paraboliques interdigités peuvent être utilisés afin d'obtenir une absorption résonante jusqu'à 300K.Pour s'affranchir de l'élargissement qu'introduit la multiplication des interfaces, des puits à gradient d'alliage ont été mis au point en collaboration avec l'université de Waterloo, Canada.Ce design a permis d'obtenir des transition THz de très haute qualité et une amélioration de la température d'opération du régime de couplage fort de 170K.Une particularité des polaritons intersousbandes est la possibilité d'obtenir une constante de couplage élevée par le biais du dopage du semiconducteur.Par conséquent, ces polaritons ont été une plateforme de choix pour la démonstration du régime de couplage ultra-fort, régime dans lequel le niveau fondamental du système se peuple d'une population de photons virtuels non négligeables.Des études théoriques ont prédit qu'une modulation non-adiabatique de l'état fondamental du système, c'est-à-dire sur une échelle de temps plus faible que le temps de vie des polaritons, ce réservoir de lumière peut être accédé.Il est alors possible de voir ces photons virtuels être émis sous forme de photons réels.Pour explorer cet effet, des cavités LC tridimensionnelles ont été fonctionnalisées afin d'obtenir la commutation ultra-rapide de leur fréquence de résonance.Leur développement et caractérisation par spectroscopie THz résolue en temps seront présentés. Par l'utilisation de GaAs épitaxié à basse température, des temps de modulation sous la picoseconde ont été atteints.Enfin, la combinaison de ces interrupteurs ultrarapides avec des puits quantiques paraboliques à gradient d'alliage a permis l'obtention d'un régime de couplage fort lumière-matière entre ces derniers.The mid-infrared and terahetz bands of the electromagnetic spectrum have seen significant growth in applications in recent years, both in telecommunications and in the environmental and medical sciences.This interest is driving the demand for ever more compact and efficient sources and detectors.In this context, the development of coherent photon sources using the strong light-matter coupling regime is a promising avenue.Two axes of study of such sources will be explored in this thesis.First, a new approach to obtain mid-infrared photon emission through resonant optical pumping of intersubband polaritons was studied.This type of spontaneous emission is based on the use of non-dispersive cavities, allowing in principle to increase the phonon-polariton scattering rate and thus to reach more easily the threshold intensity of the coherent emission.The demonstration of photon emission in this configuration opens up the possibility of exploring this emission in a stimulated scattering regime by populating the final state of the system with a probe beam.In a second step, the focus will be on the THz domain. In order to overcome the thermal limitation imposed by the low energy of THz transitions, interdigitated parabolic quantum wells can be used to obtain resonant absorption up to 300K.To overcome the broadening introduced by multiple interfaces, alloy gradient wells were developed in collaboration with the University of Waterloo, Canada. This design resulted in very high quality THz transitions and an improvement in the operating temperature of the strong coupling regime by 170K.A particularity of intersubband polaritons is the possibility to obtain a high coupling constant through doping of the semiconductor.Consequently, these polaritons have been a platform of choice for demonstrating the ultra-strong coupling regime, in which the fundamental level of the system is populated by a non-negligible population of virtual photons.Theoretical studies have predicted that a non-adiabatic modulation of the ground state of the system, i.e. on a time scale smaller than the lifetime of the polaritons, this pool of light can be accessed.It is then possible to see these virtual photons being emitted as real photons. To explore this effect, three-dimensional LC cavities have been functionalised to achieve ultra-fast switching of their resonant frequency.Their development and characterisation by time-resolved THz spectroscopy will be presented.By using low temperature epitaxial GaAs, sub-picosecond modulation times have been achieved.Finally, the combination of these ultrafast switches with parabolic graded alloy quantum wells has allowed the achievement of a strong light-matter coupling regime between them

Nouveaux concepts d'émetteurs polaritoniques dans les gammes spectrales du moyen-infrarouge et THz

The mid-infrared and terahetz bands of the electromagnetic spectrum have seen significant growth in applications in recent years, both in telecommunications and in the environmental and medical sciences.This interest is driving the demand for ever more compact and efficient sources and detectors.In this context, the development of coherent photon sources using the strong light-matter coupling regime is a promising avenue.Two axes of study of such sources will be explored in this thesis.First, a new approach to obtain mid-infrared photon emission through resonant optical pumping of intersubband polaritons was studied.This type of spontaneous emission is based on the use of non-dispersive cavities, allowing in principle to increase the phonon-polariton scattering rate and thus to reach more easily the threshold intensity of the coherent emission.The demonstration of photon emission in this configuration opens up the possibility of exploring this emission in a stimulated scattering regime by populating the final state of the system with a probe beam.In a second step, the focus will be on the THz domain. In order to overcome the thermal limitation imposed by the low energy of THz transitions, interdigitated parabolic quantum wells can be used to obtain resonant absorption up to 300K.To overcome the broadening introduced by multiple interfaces, alloy gradient wells were developed in collaboration with the University of Waterloo, Canada. This design resulted in very high quality THz transitions and an improvement in the operating temperature of the strong coupling regime by 170K.A particularity of intersubband polaritons is the possibility to obtain a high coupling constant through doping of the semiconductor.Consequently, these polaritons have been a platform of choice for demonstrating the ultra-strong coupling regime, in which the fundamental level of the system is populated by a non-negligible population of virtual photons.Theoretical studies have predicted that a non-adiabatic modulation of the ground state of the system, i.e. on a time scale smaller than the lifetime of the polaritons, this pool of light can be accessed.It is then possible to see these virtual photons being emitted as real photons. To explore this effect, three-dimensional LC cavities have been functionalised to achieve ultra-fast switching of their resonant frequency.Their development and characterisation by time-resolved THz spectroscopy will be presented.By using low temperature epitaxial GaAs, sub-picosecond modulation times have been achieved.Finally, the combination of these ultrafast switches with parabolic graded alloy quantum wells has allowed the achievement of a strong light-matter coupling regime between them.Le moyen infrarouge et le terahetz sont des bandes de fréquences du spectre électromagnétique dont le domaine applicatif a vu une croissance importante ces dernières années, aussi bien pour les télécommunications que pour les sciences environnementale et médicale.Cet intérêt pousse la demande pour des sources et des détecteurs toujours plus compactes et efficaces.Dans cette optique, la mise au point de sources de photons cohérents utilisant le régime de couplage fort lumière-matière est une voie prometteuse. Deux axes d'étude de telles sources seront explorés dans cette thèse.Dans un premier temps, une nouvelle approche pour obtenir de l'émission de photon dans le moyen infrarouge par le biais du pompage optique résonant de polaritons intersousbandes a été étudié.Ce type d'émission spontanée se base sur l'utilisation de cavités non-dispersives, permettant en principe d'augmenter le taux de diffusion phonons-polaritons et donc d'atteindre plus facilement l'intensité seuil de l'émission cohérente.La démonstration de l'émission de photon dans cette configuration ouvre la possibilité d'explorer cette émission dans le cadre d'un régime de diffusion stimulé en peuplant l'état final du système par le biais d'un faisceau de sonde.Dans un second temps, l'attention sera été portée sur le domaine du THz.Afin de contourner la limitation thermique imposée par la faible énergie des transition THz, des puits quantiques paraboliques interdigités peuvent être utilisés afin d'obtenir une absorption résonante jusqu'à 300K.Pour s'affranchir de l'élargissement qu'introduit la multiplication des interfaces, des puits à gradient d'alliage ont été mis au point en collaboration avec l'université de Waterloo, Canada.Ce design a permis d'obtenir des transition THz de très haute qualité et une amélioration de la température d'opération du régime de couplage fort de 170K.Une particularité des polaritons intersousbandes est la possibilité d'obtenir une constante de couplage élevée par le biais du dopage du semiconducteur.Par conséquent, ces polaritons ont été une plateforme de choix pour la démonstration du régime de couplage ultra-fort, régime dans lequel le niveau fondamental du système se peuple d'une population de photons virtuels non négligeables.Des études théoriques ont prédit qu'une modulation non-adiabatique de l'état fondamental du système, c'est-à-dire sur une échelle de temps plus faible que le temps de vie des polaritons, ce réservoir de lumière peut être accédé.Il est alors possible de voir ces photons virtuels être émis sous forme de photons réels.Pour explorer cet effet, des cavités LC tridimensionnelles ont été fonctionnalisées afin d'obtenir la commutation ultra-rapide de leur fréquence de résonance.Leur développement et caractérisation par spectroscopie THz résolue en temps seront présentés. Par l'utilisation de GaAs épitaxié à basse température, des temps de modulation sous la picoseconde ont été atteints.Enfin, la combinaison de ces interrupteurs ultrarapides avec des puits quantiques paraboliques à gradient d'alliage a permis l'obtention d'un régime de couplage fort lumière-matière entre ces derniers