Prix Michelin - Génération de photons jumeaux dans une microcavité triple de semiconducteurs

Mme Carole Diederichs

ENS, Paris

L’oscillation paramétrique optique (OPO) est un processus non-linéaire qui permet la génération cohérente d’ondes signal et complémentaire décalées en fréquence par rapport à l’onde de pompe, mais aussi la génération de photons jumeaux ou intriqués pour des applications en optique quantique comme la cryptographie quantique. Les développements en information quantique requièrent des sources monolithiques intégrées ne demandant pas d’alignements compliqués et permettant un couplage efficace dans des fibres optiques. Ainsi, de nombreux efforts se sont tournés vers le développement de dispositifs intégrés pour l’information quantique et la réalisation d’OPO à base de structures semiconductrices. Néanmoins, les OPO actuels reposent sur des cristaux non-linéaires insérés dans une cavité optique complexe. De tels systèmes nécessitent de grandes longueurs d’interaction et le désaccord de phase entre les différentes ondes paramétriques se traduit par une diminution de l’efficacité de conversion paramétrique. Récemment, il a été démontré [1] qu’un régime d’oscillation paramétrique peut être obtenu dans des microcavités de semiconducteurs en tirant parti des larges non-linéarités en χ(3) au voisinage des résonances de polaritons (états propres exciton-photon en régime de couplage fort lumière-matière). Cependant, de nombreuses limitations empêchent l'utilisation de ces systèmes comme sources intégrées de photons jumeaux : la nécessité du couplage fort (température de fonctionnement limitée) et l'injection de la pompe à un angle très particulier (injection électrique impossible).
Nous présenterons nos travaux sur de nouvelles nanostructures monolithiques [2,3] permettant d’observer une oscillation paramétrique optique triplement résonante avec une faible puissance seuil. Ces systèmes sont fabriqués par MBE et consistent en trois microcavités couplées (AlGaAs/GaAs), contenant un ou plusieurs puits quantiques (InGaAs), qui fournissent naturellement une résonance triple pour les fréquences paramétriques. Une oscillation paramétrique est observée en régime de couplage fort lumière-matière aussi bien qu’en couplage faible, permettant ainsi d’élever la température de fonctionnement. La puissance de pompe et la géométrie sont telles qu’il est possible d’envisager une injection électrique. La pompe est injectée à angle nul tandis que le signal et le complémentaire peuvent être collectés à 0° ou à des angles opposés suivant le désaccord entre les cavités. Nous discuterons d’une configuration dégénérée où les faisceaux signal et complémentaire sont émis à des angles opposés et présentent une très grande symétrie, ce qui rend très favorable l’observation de corrélations quantiques entre les photons émis [4]. Les corrélations en intensité entre le signal et le complémentaire sont mises en évidence en mesurant le spectre de bruit de la somme et de la différence des intensités de chaque faisceau. Nous présenterons des résultats de mesures de bruit quantique où de fortes corrélations sont observées au voisinage du seuil OPO en régime de couplage fort ou faible. En régime de couplage fort, le spectre de bruit de la différence des intensités présente une réduction de bruit de 6% en-dessous de la limite quantique standard (shot noise), démontrant ainsi la génération de polaritons corrélés quantiquement.
[1] P. G. Savvidis, J. J. Baumberg, R. M. Stevenson, M. S. Skolnick, D. M. Whittaker and J. S. Roberts, PRL 84, 1547 (2000).
[2] C. Diederichs and J. Tignon, APL 87, 251107 (2005).
[3] C. Diederichs, J. Tignon, G. Dasbach, C. Ciuti, A. Lemaître, J. Bloch, Ph. Roussignol and C. Delalande, Nature 440, 904 (2006).
[4] J. Ph. Karr, A. Baas and E. Giacobino, PRA 69, 063807 (2004).

Prix Saint-Gobain - Dynamique de l'eau dans les membranes ionomères utilisées en pile à combustible: une étude expérimentale

M. Jean-Christophe PERRIN

DRFMC/SPrAM, CEA Grenoble.

Thèse réalisée au Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée, CEA Grenoble 2003-2006
Cette étude présente une démarche expérimentale originale permettant de sonder la dynamique de l’eau dans les membranes polymères échangeuses d’ions utilisées pour l’application pile à combustible. Grâce à l’utilisation de trois techniques complémentaires, la diffusion des molécules d’eau a été suivie à l’échelle moléculaire (diffusion quasi-élastique des neutrons ; 1 ps <&#964; < 1 ns), à l’échelle macroscopique (RMN à gradient de champ pulsé ; 1 ms <&#964; < 1 s) et à l’échelle dite « intermédiaire » (relaxométrie RMN ; 1 ns <&#61472;&#964; < 10 &#956;s). Les expériences ont été menées en fonction de la quantité d’eau adsorbée, dans la membrane Nafion® et dans des polyimides sulfonés naphtaléniques. L’analyse des données expérimentales permet de préciser les échelles spatiales des ralentissements de la diffusion dans les deux matériaux, ainsi que de mettre en évidence les aspects structuraux qui permettent à l’eau d’être plus mobile dans le Nafion® que dans les polyimides sulfonés, et ce, quelle que soit la teneur en eau.

Photonique de spins

M. Jean-Yves Bigot

IPCMS, Strasbourg

La photonique de spins est un nouveau champ de recherche qui a pour but d’explorer les propriétés magnétiques de la matière condensée en utilisant des sources de lumière plutôt que des champs magnétiques. En particulier, l’utilisation de sources lasers ultra-brèves pour étudier les films et nanostructures métalliques ou semiconductrices est riche d’enseignements que nous développerons au cours de l’exposé. Nous considérerons trois principaux aspects de la photonique de spins :
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L’interaction champ-matière dans le cas de films ferromagnétiques éclairés par des impulsions laser femtosecondes. Bien que les effets Kerr et Faraday magnéto-optiques soient connus depuis la deuxième moitié du 19ième siècle plusieurs interrogations restent quant à l’interaction du champ électromagnétique avec les systèmes magnétiques denses. Nous exposerons l’état de l’art dans ce domaine.
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La dynamique de spins associée à la précession d’aimantation autour du champ effectif de films et nanostructures ferromagnétiques. Nous montrerons en particulier comment il est possible d’induire optiquement l’analogue de la résonance ferromagnétique sans champ magnétique radio-fréquence. Cette nouvelle approche est très intéressante pour étudier l’amortissement de l’aimantation en temps « réel», ainsi que les effets dynamiques associés à l’anisotropie des matériaux.
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L’étude spatio-temporelle de nanostructures magnétiques. L’observation de la dynamique d’aimantation repose dans ce cas sur la microscopie confocale magnéto-optique résolue en temps. Nous verrons par exemple que l’imagerie magnéto-optique à l’échelle femtoseconde est une méthode de mesure très efficace des processus magnétiques à l’échelle de 100 nm.
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A l’instar de l’électronique de spins, le paradigme de la photonique de spins consiste à contrôler l’aimantation pour le stockage et la manipulation de l’information sur des supports magnétiques. Nous proposerons quelques approches qui permettent de progresser dans cette direction.

Clôture