Discussion

Le tableau suivant synth´etise les param`etres des diff´erents syst`emes 0D semi-conducteurs dans lesquels le r´egime de couplage fort a ´et´e observ´e. Pour chaque syst`eme, nous reportons les param`etres-clefs Q, f , V et le produit Q

q

f

V. Nous indiquons ´egalement le d´edoublement de Rabi ~Ω_R et les largeurs de raies du doublet `a la r´esonance ~γ, en vue de calculer le rapport Ω<sub>R</sub>/γ. En effet, ce rapport constitue une figure de m´erite du couplage fort, puisqu’il est une indication, du point de vue temporel, du nombre d’oscillations bien d´efinies effectu´ees par le syst`eme avant perte de sa coh´erence.

Cavit´e Cristal photonique µ-pilier µ-disque µ-sph`ere

Q 8800 7350 10000 35000

V(µm³) 0.04 0.3 0.07 8

Emetteur BQ InAs BQ InGaAs BQ GaAs Nanotige CdSe

f 8 50 100 5 Q q f V (µm⁻³2) 125. 10³ 95. 10³ 380. 10³ 28. 10³ ~Ω_R (µeV ) 170 140 410 40 ~γ (µeV ) 130 140 200 40 Ω_R/γ 1.3 1 2 1 R´ef´erence [160] [41] [46] [162]

Observation du couplage fort exciton-photon 173 – Tout d’abord, il est int´eressant de remarquer que les facteurs de qualit´e des 3 cavit´es semi-conductrices contenant des boˆıtes quantiques sont du mˆeme ordre de grandeur (Q ≃ 10⁴). La diff´erence entre ces 3 syst`emes repose donc sur les diff´erentes valeurs de forces d’oscillateur f et de volumes effectifs V .

– L’observation du couplage fort avec les boˆıtes quantiques d’InAs en cristaux photoniques repose sur le tr`es fort confinement du champ ´electromagn´etique obtenu dans les cristaux photoniques (V = 0.04 µm3), ce qui permet de compenser une force d’oscillateur faible (f = 10). Le d´edoublement de Rabi obtenu est de 170 µeV pour des largeurs de raie de 130 µeV . Le rapport Ω_R/γ vaut donc 1.3.

– L’observation du couplage fort avec des boˆıtes quantiques naturelles d’InGaAs en micro-piliers repose au contraire sur les grandes forces d’oscillateur excitoniques (f = 50), ce qui compense un relativement faible confinement du champ ´electromagn´etique (V = 0.3 µm³). Le d´edoublement de Rabi est de 140 µeV pour des largeurs de raie de 140 µeV . Le rapport Ω_R/γ vaut donc 1.

– Le syst`eme boˆıtes quantiques naturelles de GaAs en microdisque tire parti `a la fois des grandes forces d’oscillateur (f = 100) et du confinement important du champ ´electro-magn´etique dans les microdisques (V = 0.07 µm³). Le d´edoublement de Rabi observ´e est alors de 410 µeV pour des largeurs de raie de 200 µeV , d’o`u une figure de m´erite record ΩR/γ = 2 pour les syst`emes 0D semi-conducteurs. Notons toutefois que cette valeur est encore trop faible pour envisager des exp´eriences de manipulation coh´erente.

– L’observation du couplage fort dans les nanotiges de CdSe coupl´ees `a une sph`ere de poly-styr`ene repose sur les faibles largeurs de raies. En effet, le facteur de qualit´e est plus ´elev´e que dans les syst`emes d´ecrits pr´ec´edemment (Q = 35000), ce qui correspond `a une largeur de raie de 60 µeV . La raie d’´emission de la nanotige est ´egalement tr`es fine (20 µeV ). Ces largeurs de raies permettent d’observer le couplage fort avec un d´edoublement de Rabi de seulement 40 µeV , la force d’oscillateur et le confinement du champ ´etant relativement faible (f = 5 et V = 8 µm3). Le rapport Ω_R/γ vaut 1 dans ce syst`eme.

Synth`ese :Un bilan du syst`eme boˆıtes quantiques de GaAs en microdiques en termes de force d’oscillateur, facteur de qualit´e, volume effectif et largeurs de raie nous a permis de calculer dans la partie 6.1 l’ordre de grandeur du d´edoublement de Rabi attendu. Dans cette partie, nous avons ´egalement recens´e toutes les conditions d’observation du r´egime de couplage fort : accord en polarisation, accord spatial et accord spectral.

Dans la partie 6.2, nous avons expos´e la premi`ere d´emonstration exp´erimentale du r´egime de couplage fort exciton-photon dans le syst`eme boˆıtes quantiques de GaAs en microdisque. Nous avons observ´e, dans des exp´eriences de micro-photoluminescence, un anti-croisement caract´eris´e par un d´edoublement de Rabi `a la r´esonance de 410µeV , avec des largeurs de raie de 200 µeV .

Dans la partie 6.3, nous avons discut´e des diff´erentes observations du couplage fort dans les syst`emes semi-conducteurs 0D. Nous avons ´etabli une figure de m´erite du couplage fort, qui est le rapport du d´edoublement de Rabi `a la r´esonance sur les largeurs spectrales des ´etats habill´es. Ce rapport est de l’ordre de l’unit´e dans les diff´erents syst`emes, avec un record de 2 pour les boˆıtes quantiques de GaAs en microdisque.

Chapitre 7

Bilan et Perspectives

7.1 Bilan

Dans ce travail de th`ese, nous avons particip´e au d´eveloppement de l’´electrodynamique quantique en cavit´e dans les syst`emes enti`erement semi-conducteurs et avons ouvert la voie aux exp´eriences en r´egime de couplage fort.

Nous avons choisi d’´etudier les boˆıtes quantiques de GaAs ins´er´ees dans des microdisques pour observer le r´egime de couplage fort. Apr`es avoir identifi´e le syst`eme semi-conducteur candidat au couplage fort, nous nous sommes attach´es `a caract´eriser les propri´et´es de ce syst`eme : nous avons ´etudi´e les propri´et´es radiatives de l’´emetteur `a travers les exp´eriences de micro-photoluminescence r´esolues en temps. Nous avons alors montr´e que les boˆıtes quantiques naturelles de GaAs, en particu-lier les plus grandes, poss`edent de tr`es grandes forces d’oscillateur excitoniques. Nous nous sommes ensuite int´eress´es `a leur largeurs spectrales au cours d’une ´etude des processus d’interaction avec l’environnement : l’interaction avec le r´eseau cristallin, d’une part, et l’interaction avec l’environ-nement coulombien, d’autre part. Concernant la cavit´e, nous avons d’abord travaill´e `a rendre la r´ealisation technologique des microdisques plus reproductible ; nous avons ´egalement montr´e qu’un nouveau type de cavit´e peut renforcer la robustesse des microdisques les plus petits. Enfin, l’en-semble de ces ´etudes a converg´e vers la d´emonstration exp´erimentale du r´egime de couplage fort exciton-photon, prouvant par-l`a que la coh´erence du syst`eme boˆıte quantique en microdisque est assez robuste pour permettre la production d’´etats purement quantiques, m´elanges intriqu´es de lumi`ere et de mati`ere.