Physique appliquée aux technologies quantiques
Physique de Rydberg dans les semiconducteurs
Les excitons de Rydberg sont des quasi-particules exotiques où un électron et un trou forment un état lié excité au sein d’un matériau semi-conducteur. Leur particularité réside dans leur très grande taille taille et leur capacité à interagir sur de longues distances, à l’image des atomes de Rydberg. Ils sont extrêmement sensibles aux champs externes et présentent des interactions très importantes entre eux, ce qui les rend particulièrement intéressants pour les technologies quantiques.
La communauté des excitons de Rydberg est née à la suite d’un article fondateur publié dans Nature en 2014 [1], qui a ouvert de nouvelles perspectives sur les interactions excitoniques à longue portée dans les matériaux semi-conducteurs, en particulier dans l’oxyde de cuivre (Cu₂O). Depuis, ce sujet est devenu un domaine de recherche dynamique, réunissant des physiciens du monde entier autour des effets quantiques associés.
1. Etude fondamentale
La physique des Rydberg est bien connue et a rencontré un grand succès dans le domaine des atomes froids, mais sa version excitonique reste largement inexplorée. Cela est dû à l’environnement semi-conducteur complexe dans lequel évoluent les excitons de Rydberg.
Dans ce contexte, notre activité contribue à l’exploration expérimentale de leurs propriétés intrinsèques. Parmi nos résultats récents, nous avons mis en évidence d’importantes non-linéarités optiques induites par les interactions [2], une cartographie à grande échelle des échantillons grâce aux interactions exciton-défaut observées en imagerie hyperspectrale [3], ainsi qu’une étude de leur dynamique ultrarapide, révélant des durées de vie et des temps de cohérence élevés [4].
[1] Kazimierczuk, Tomasz, et al. Nature 514.7522 (2014): 343-347.
[2] Morin, Corentin, et al. Physical Review Letters 129.13 (2022): 137401.
[3] Morin, Kerwan, et al. Physical Review Materials 8.2 (2024): 026202.
[4] Chakrabarti, Poulab, et al. arXiv preprint arXiv:2410.07355 (2024).
2. Technologies quantiques
Nous exploitons ces propriétés fondamentales pour concevoir les technologies quantiques du futur. Nous avons notamment collaboré à l’étude des exciton-polaritons de Rydberg dans des microcavités optiques afin de permettre un contrôle tout optique des interactions de Rydberg. Nous nous intéressons également au couplage hautement non linéaire des excitons de Rydberg avec les champs micro-ondes, ce qui pourrait conduire à la création d’une « super-antenne de Rydberg » à l’état solide, un type de capteur quantique.
Enfin, la pureté cristalline et la disponibilité des échantillons étant des éléments clés pour ces applications futures, nous développons plusieurs approches visant à synthétiser du Cu₂O artificiel de haute pureté et/ou à purifier des cristaux existants, qu’ils soient naturels ou artificiels.
Collaborations: Univ. Sheffield (D. Krizhanovskii), Univ. Dortmund (M. Aßmann), LCAR (I. Dotsenko)
Fundings: ANR PIONEEReX (2022-2026), ANR-CPJ (2022-2025), Labex/EUR NanoX T-ReX (2023-2026), CNRS DIALOG (2023), IQO QDREAM (2024)