Angular-dependent Andreev reflection on a polaritonic superfluid

We study analytically an analog of the Andreev reflection at a normal-superfluid interface. The polariton gapped superfluid region is achieved by quasi-resonant optical pumping. The interacting polaritons are described with the driven-dissipative Gross-Pitaevskii equation. We find analytical formulas for the angles and amplitudes of the reflected and transmitted particles. There are limit angles and energies, above which Andreev reflection/transmission cannot be observed anymore and where the Andreev wave becomes a surface mode, exponentially localized on the interface. These properties are confirmed by solving numerically the Gross-Pitaevskii equation in simulations reproducing realistic experimental conditions

Toward an experimental proof of superhydrophobicity enhanced by quantum fluctuations freezing on a broadband-absorber metamaterial

Previous theoretical works suggested that superhydrophobicity could be enhanced through partial inhibition of the quantum vacuum modes at the surface of a broadband-absorber metamaterial which acts in the extreme ultraviolet frequency domain. This effect would then compete with the classical Cassie-Baxter interpretation of superhydrophobicity. In this article, we first theoretically establish the expected phenomenological features related to such a kind of "quantum" superhydrophobicity. Then, relying on this theoretical framework, we experimentally study patterned silicon surfaces on which organosilane molecules were grafted, all the coated surfaces having similar characteristic pattern sizes but different profiles. Some of these surfaces can indeed freeze quantum photon modes while others cannot. While the latter ones allow hydrophobicity, only the former ones allow for superhydrophobicity. We believe these results lay the groundwork for further complete assessment of superhydrophobicity induced by quantum fluctuations freezing.Comment: 10 pages, 5 figures, final version, accepted for publication in Journal of Applied Physic

High-frequency approximations for the computation of electromagnetic scattering from a metallic object

Ce travail de thèse investigue des approximations haute-fréquence pour calculer la Surface Équivalente Radar (SER) d’un objet métallique afin de réduire les ressources informatiques nécessaires à la résolution du problème. La première méthode mise en oeuvre s’inspire de la méthode asymptotique de l’optique physique qui peut être directement liée à la valeur principale de la MFIE (Magnetic Field Integral Equation). L’idée est d’étendre ce principe sur la EFIE (Electrical Field Integral Equation), qui est plus précise que la MFIE. Ainsi, des hypothèses en haute fréquence sur l’équation de la EFIE sont introduites afin de réduire significativement le temps de calcul et le coût en mémoire de la résolution numérique du problème. Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode est proposée pour réduire le nombre d’itérations du gradient conjugué pour la résolution numérique itérative de la CFIE (Combined Field Integral Equation), combinant à la fois la EFIE et la MFIE. En faisant varier le coefficient # de la CFIE dans les itérations du gradient conjugué, cette approche permet de passer d’une résolution principalement MFIE (bon conditionnement) à une résolution où l’EFIE est prédominante (bonne précision). Deux approches différentes ont été développées et sont détaillées dans le chapitre 3 du document. Title:This document investigates the use of high-frequency approximations to compute the Radar Cross Section (RCS) from a metallic object to reduce the numerical resources needed to solve the problem. The first method developped is inspired by the asymptotic method of physical optics which can be linked to the principal value of the MFIE (Magnetic Field Integral Equation). The idea is to apply the same principle for the EFIE (Electric Field Integral Equation), which is more accurate than MFIE. Therefore, the high-frequency hypothesis used on the EFIE greatly reduce the computational time and the memory requirement of the problem. Secondly, a new method is proposed to reduce the number of iterations of the conjugate gradient required to iteratively solve the CFIE (Combined Field Integral Equation), which combines both EFIE and MFIE. By modifying the # coefficient of the CFIE during the iterations of the conjuguate gradient, this method can start the resolution with a MFIEfocused resolution (better conditioning) to end with an EFIE-focused one (better accuracy). Two different approaches are detailed in the third chapter of the document

Lasers et circuits polaritoniques topologiques

This thesis is dedicated to theoretical studies in Hermitian and non-Hermitian topological photonics, especially in the exciton-polariton platform.In the first chapter, I introduce topological exciton-polaritons.In the second chapter, I study theoretically the properties of Andreev reflection and Andreev bound states analogues in polariton gapped superfluids. Using the Bogoliubov-de Gennes equations, I draw an analogy between the polariton gapped superfluid regime, realised in microcavities under resonant pumping (above the bistability threshold), and the superconducting phase in condensed matter. I study the reflection of a wave from a normal (not pumped) region upon an interface with a gapped superfluid and find that an Andreev-like reflection occurs. The energy of the Andreev-reflected wave is symmetric to the incident one with respect to the pump energy, and the reflection comes together with an additional phase due to the superfluid phase.I then study polaritonic Josephson junctions, where two superfluids surround a normal region. I find Andreev-like bound states of light, whose energy depends on the phase difference between the two superfluids, defining synthetic 1D bands (the parameter being the phase difference). Bands appear in pairs, because the Andreev process creates an additional band from each initial bound state. When a normal band and an Andreev band are close in energy, the non-Hermitian coupling between them leads to the formation of a pair of exceptional points and parametric amplification. The band crossing is topologically protected, as demonstrated by the Zak phase.In the last part of this chapter, I study polaritonic multi-terminal Josephson junctions, which give access to an arbitrarily large number of synthetic dimensions (the phases of the superfluids). I study a 5-terminal junction, creating a 4D parameter space, where I observe the creation, motion, and annihilation of Weyl singularities. Those singularities give a nonzero Chern number to the synthetic bands, and some 3D parameter subspaces show a signature of broken time-reversal symmetry.In the third chapter, I present a study of exceptional points in a microcavity, performed in collaboration with the University of Warsaw. We focus on the motion and the annihilation of exceptional points. The combination of TE-TM splitting with huge birefringence gives rise to multiple Dirac points. Non-Hermiticity is brought by the different lifetimes of H and V modes. It splits each Dirac point into a pair of exceptional points connected by a Fermi arc whose length is ultimately controlled by an external voltage. Exceptional points created from different Dirac points can meet and annihilate, a phenomenon never reported before. I show that this annihilation can occur only if the Hermitian topology of the system is trivial, which links Hermitian and non-Hermitian topological transitions.In the last chapter, I present my activities dedicated to the design of realistic room-temperature polariton devices based on photonic crystal slabs and wide-bandgap semiconductors. I first show how I went beyond the existing literature on topological interface states. I show that a photonic crystal slab etched with a triangular lattice of circular air holes is equivalent to a staggered honeycomb lattice. I then use this result to design a room-temperature topological polariton laser on interface states in a ZnO-TiO2 photonic crystal waveguide. I finally show how to organise the strong coupling of a photonic bound state in the continuum with the excitonic resonance of GaN. This creates a polariton state with a very long lifetime suitable for the creation of a polariton Bose-Einstein condensate at room temperature in a GaN-TiO2 waveguide, a geometry technologically accessible and suitable to implement electrical injection.Cette thèse est consacrée à l'étude théorique de la photonique et de la polaritonique topologique. Dans le premier chapitre, j'introduis les excitons-polaritons topologiques.Dans le deuxième chapitre, j'étudie les propriétés de la réflexion d'Andreev et des analogues des états liés d'Andreev dans les superfluides gappés de polaritons. En utilisant les équations de Bogoliubov-de Gennes, j'établis une analogie entre les superfluides gappés de polaritons, réalisés dans des microcavités sous pompage résonant au-dessus du seuil bistable, et les supraconducteurs. J'étudie l'analogue de la réflexion d'Andreev d'une onde provenant d'une région non pompée sur une interface avec un superfluide gappé. L'énergie de l'onde réfléchie est symétrique à celle de l'onde incidente par rapport à l'énergie de la pompe, et la réflexion s'accompagne d'une phase due à la phase du superfluide.J'étudie ensuite les jonctions Josephson polaritoniques, où une région normale est entourée de deux superfluides. Je trouve des analogues d'états liés d'Andreev dont l'énergie dépend de la différence de phase entre les deux superfluides, ce qui définit des bandes synthétiques 1D (le paramètre étant la différence de phase). Les bandes apparaissent par paires car le processus d'Andreev crée une bande additionnelle à partir de chaque état lié initial. Lorsqu'une bande normale et une bande d'Andreev sont proches dans l'espace synthétique, le couplage non-Hermitien entre elles conduit à la formation d'une paire de points exceptionnels et à une amplification paramétrique. Le croisement de bandes est topologiquement protégé, comme le montre la phase de Zak.Dans la dernière partie de ce chapitre, j'étudie les jonctions Josephson polaritoniques multi-terminales qui donnent accès à un nombre arbitrairement grand de dimensions synthétiques (les phases des superfluides). J'étudie une jonction à 5 terminaux, créant un espace des paramètres 4D dans lequel j'observe la création, les trajectoires et l'annihilation des singularités de Weyl. Ces singularités donnent un nombre de Chern non nul aux bandes synthétiques, et certains sous-espaces des paramètres 3D présentent une signature de brisure de la symétrie par inversion du temps.Dans le troisième chapitre, j'étudie les points exceptionnels dans une microcavité, en collaboration avec l'Université de Varsovie. Nous nous concentrons sur le mouvement et l'annihilation des points exceptionnels. La combinaison de l'éclatement TE-TM, de la grande biréfringence, et de la non-Hermiticité due aux différentes durées de vie des modes H et V divise chaque point de Dirac en une paire de points exceptionnels reliés par un arc de Fermi, dont la longueur est contrôlée par une tension appliquée. Les points exceptionnels créés à partir de différents points de Dirac peuvent se rencontrer et s'annihiler, un effet jamais observé auparavant. Je montre que cette annihilation ne peut se produire que si la topologie Hermitienne du système est triviale, prouvant que les transitions topologiques Hermitiennes et non-Hermitiennes sont liées.Dans le dernier chapitre, je présente mes activités consacrées à la conception de lasers à polariton à température ambiante basés sur des couches de cristaux photoniques et des semi-conducteurs à large bande interdite. Je montre d'abord qu'une couche de cristal photonique gravée avec un réseau triangulaire de trous d'air circulaires est équivalente à un réseau en nid d'abeille asymétrique. J'utilise ensuite ce résultat pour concevoir un laser à polaritons à température ambiante sur des états d'interface topologiques dans un guide d'onde ZnO-TiO2. Enfin, je montre comment le couplage fort d'un état lié dans le continuum optique avec la résonance excitonique de GaN dans un guide d'ondes GaN-TiO2 crée un état polaritonique avec une très longue durée de vie. Cet état est propice à la création d'un condensat de Bose-Einstein polaritonique à température ambiante dans une géométrie favorable à l'injection électrique

Approximations haute fréquence pour le calcul de la diffraction électromagnétique par un objet métallique

This document investigates the use of high-frequency approximations to compute the Radar Cross Section (RCS) from a metallicobject to reduce the numerical resources needed to solve the problem. The first method developped is inspired by the asymptotic method of physical optics which can be linked to the principal value of theMFIE (Magnetic Field Integral Equation). The idea is to apply the same principle for the EFIE (Electric Field Integral Equation), whichis more accurate than MFIE. Therefore, the high-frequency hypothesis used on the EFIE greatly reduce the computational time and the memory requirement of the problem.Secondly, a new method is proposed to reduce the number of iterations of the conjugate gradient required to iteratively solve the CFIE (Combined Field Integral Equation), which combines both EFIE and MFIE. By modifying the coefficient of the CFIE during the iterations of the conjuguate gradient, this method can start the resolution with a MFIEfocused resolution (better conditioning) to end with an EFIE-focused one (better accuracy).Two different approaches are detailed in thethird chapter of the document.Ce travail de thèse investigue des approximations haute-fréquence pour calculer la Surface Équivalente Radar (SER) d’un objet métallique afin de réduire les ressources informatiques nécessaires à la résolution du problème.La première méthode mise en oeuvre s’inspire de la méthode asymptotique de l’optique physique qui peut être directement liée à la valeurprincipale de la MFIE (Magnetic Field Integral Equation). L’idée est d’étendre ce principe sur la EFIE (Electrical Field Integral Equation), quiest plus précise que la MFIE. Ainsi, des hypothèses en haute fréquence sur l’équation de la EFIE sont introduites afin de réduire significativement le temps de calcul et le coût en mémoire de la résolution numérique du problème.Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode est proposée pour réduire le nombre d’itérations du gradient conjugué pour la résolutionnumérique itérative de la CFIE (Combined Field Integral Equation), combinant à la fois la EFIE et la MFIE. En faisant varier le coefficient de la CFIE dans les itérations du gradient conjugué, cette approche permet de passer d’une résolution principalement MFIE (bon conditionnement) à une résolution où l’EFIE est prédominante (bonne précision). Deux approches différentes ont été développées et sont détaillées dans le chapitre 3 du document

Approximations haute fréquence pour le calcul de la diffraction électromagnétique par un objet métallique

This document investigates the use of high-frequency approximations to compute the Radar Cross Section (RCS) from a metallicobject to reduce the numerical resources needed to solve the problem. The first method developped is inspired by the asymptotic method of physical optics which can be linked to the principal value of theMFIE (Magnetic Field Integral Equation). The idea is to apply the same principle for the EFIE (Electric Field Integral Equation), whichis more accurate than MFIE. Therefore, the high-frequency hypothesis used on the EFIE greatly reduce the computational time and the memory requirement of the problem.Secondly, a new method is proposed to reduce the number of iterations of the conjugate gradient required to iteratively solve the CFIE (Combined Field Integral Equation), which combines both EFIE and MFIE. By modifying the coefficient of the CFIE during the iterations of the conjuguate gradient, this method can start the resolution with a MFIEfocused resolution (better conditioning) to end with an EFIE-focused one (better accuracy).Two different approaches are detailed in thethird chapter of the document.Ce travail de thèse investigue des approximations haute-fréquence pour calculer la Surface Équivalente Radar (SER) d’un objet métallique afin de réduire les ressources informatiques nécessaires à la résolution du problème.La première méthode mise en oeuvre s’inspire de la méthode asymptotique de l’optique physique qui peut être directement liée à la valeurprincipale de la MFIE (Magnetic Field Integral Equation). L’idée est d’étendre ce principe sur la EFIE (Electrical Field Integral Equation), quiest plus précise que la MFIE. Ainsi, des hypothèses en haute fréquence sur l’équation de la EFIE sont introduites afin de réduire significativement le temps de calcul et le coût en mémoire de la résolution numérique du problème.Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode est proposée pour réduire le nombre d’itérations du gradient conjugué pour la résolutionnumérique itérative de la CFIE (Combined Field Integral Equation), combinant à la fois la EFIE et la MFIE. En faisant varier le coefficient de la CFIE dans les itérations du gradient conjugué, cette approche permet de passer d’une résolution principalement MFIE (bon conditionnement) à une résolution où l’EFIE est prédominante (bonne précision). Deux approches différentes ont été développées et sont détaillées dans le chapitre 3 du document

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La pathologie de l'obésité est définie comme un excès de masse grasse corporelle pouvant nuire à la santé. Elle constitue un véritable problème de santé publique dans de nombreux pays et à La Réunion. Dans l'organisme, c'est au niveau du tissu adipeux que le stockage de gras se localise, plus précisément dans les cellules adipeuses (adipocytes) provenant elles-mêmes de la maturation de cellules précurseurs appelées préadipocytes. Chez le sujet obèse, le tissu adipeux stockant un excès de gras est le siège d'un stress oxydatif et d'une inflammation chronique qui concourent à la résistance à l'insuline et au développement du diabète et de ses complications vasculaires. De nombreuses études montrent les propriétés antioxydantes et anti-inflammatoires des produits végétaux riches en polyphénols et soulignent leur intérêt dans le cadre de stratégies innovantes vis-à-vis de l'obésité et de ses complications. La Réunion présente une multitude de ressources végétales comme les fruits tropicaux et de nombreuses plantes à parfums, aromatiques et médicinales qui exerceraient des effets bénéfiques pour la santé. Toutefois, il manque encore des données scientifiques pour les valider. L'objectif du travail de thèse était d'évaluer l'impact d'extraits riches en polyphénols antioxydants issus du curcuma et de fruits tropicaux de La Réunion sur la réponse métabolique et inflammatoire de la cellule adipeuse, en situation de stress oxydatif dans le contexte de la pathologie de l'obésité. Pour ce faire, le curcuma et neuf fruits tropicaux de La Réunion, à savoir l'ananas Victoria, la banane (grosse et petite variétés), le fruit de la passion, le letchi, la mangue (Américaine et José) et la papaye (Solo et Colombo) ont été sélectionnés. Nos résultats ont mis en évidence une variabilité du profil glucidique et des teneurs en micronutriments de type vitamine C, caroténoïdes et polyphénols. Pour la plupart des extraits végétaux étudiés, les polyphénols représentaient les antioxydants les plus abondants et leur présence a conféré aux extraits végétaux diverses propriétés biologiques. Celles-ci ont été explorées sur le modèle in vitro de cellules adipeuses 3T3-L1 exposées aux extraits végétaux riches en polyphénols, en situation de stress oxydatif induit par l'agent H2O2 ou des acides gras de type acides linoléique et arachidonique. Nos résultats ont mis en évidence les propriétés antioxydantes et anti-inflammatoires des extraits végétaux, ainsi que leur capacité à améliorer la réponse à l'insuline des cellules en terme d'accumulation de gras. De plus, tous les extraits végétaux ont exercé un effet protecteur contre la sur-production de molécules pro-inflammatoires induites en situation de stress oxydatif. Plusieurs cibles moléculaires ont été identifiées, dont les enzymes antioxydantes superoxyde dismutase et catalase, les facteurs de transcription PPAR-γ et NF-κB, ainsi que les adipokines de type adiponectine, IL-6, TNF-α et MCP-1. En conclusion, ce travail de thèse a permis de mettre en évidence le potentiel bioactif d'extraits riches en polyphénols issus du curcuma et des fruits tropicaux sur la réponse métabolique et inflammatoire de la cellule adipeuse, en situation de stress oxydatif dans le contexte de la pathologie de l'obésité. L'utilisation des modèles expérimentaux développés au cours de ce travail de thèse permettra de poursuivre l'exploration des voies moléculaires impliquées et d'identifier de possibles cibles thérapeutiques.Obesity is defined as an excessive fat accumulation and has been related to several major complications such as type 2 diabetes and vascular disorders. In obese patients, adipose cells responsible for fat storage are the targets of oxidative stress and chronic inflammation which contribute to insulin resistance and the onset of diabetes. Here, our objective was to evaluate the impact of polyphenol-rich extracts from Curcuma longa spice and tropical fruits from Reunion Island in France on the metabolic and inflammatory response of adipose cells exposed to oxidative stress mediated by H2O2 or free fatty acids comprising both linoleic and arachidonic acids. Our data led to demonstrate the abundance of polyphenols from Curcuma longa spice and the tropical fruits selected, and their free radical-scavenging capacities. Polyphenol-rich plant extracts were also able to protect 3T3-L1 preadipocytes and adipocytes against oxidative stress, by regulating the production of reactive oxygen species and major adipocytokines, antioxidant enzymes and transcriptional factors involved in the metabolic and inflammatory response of the adipose tissue. Further work needs to be developed on animal models and then in obese subjects to identify and validate new therapeutic targets