Spectroscopie cohérente haute résolution d'un fluide de polariton : modes de Bogoliubov, transitions de phase hors équilibre et turbulences Les exciton-polaritons de microcavités semiconductrices sont des quasiparticules résultant de l'habillement de photons de cavité optique par les paires d'électron-trou de puits quantique. En géométrie planaire, leur appartenance à la famille des fluides quantiques a été prouvée maintes fois à travers les observations de phénomènes de cohérence à l'échelle macroscopique, tels que la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein. À l'instar des atomes ultrafroids, les polaritons supportent à leur surface un ensemble d'excitations collectives, les modes de Bogoliubov, dont les spectres incorporent les informations clés pour décrire les dynamiques des fluides quantiques. Dans cette thèse, nous présentons une large variété de résultats au sujet de la détection et le contrôle de tels modes dans différentes configurations. Grâce au développement d'une nouvelle méthode de spectroscopie cohérente haute-résolution, nous avons mené une étude détaillée du spectre des excitions collectives des polaritons. En particulier, nous avons révélé l'impact de la nature forcée-dissipative du système sur les dynamiques fondamentales du fluide, en examinant la relation entre les modes de Bogoliubov et la bistabilité polaritonique en pompage cohérent. Ceci nous a conduits à observer, en plus des excitations soniques bien connues des superfluides, des modes précurseurs d'instabilités et la branche fantôme. Qui plus est, nous avons étudié le comportement de transitions de phase hors-équilibres: d'abord, via les effets de la dimension du système sur la bistabilité; puis, avec la génération d'un mode de Goldstone, en conséquence d'une rupture spontanée de symétrie en régime d'oscillation paramétrique. Finalement, nous avons conçu une géométrie de pompage qui permet le contrôle direct des modes d'instabilités entre des solitons sombres d'une paire guidée par un canal d'intensité et menant à la formation d'une avenue de vortex-antivortex dans la densité du fluide.
Spectroscopie cohérente haute résolution d'un fluide de polariton : modes de Bogoliubov, transitions de phase hors équilibre et turbulences Les exciton-polaritons de microcavités semiconductrices sont des quasiparticules résultant de l'habillement de photons de cavité optique par les paires d'électron-trou de puits quantique. En géométrie planaire, leur appartenance à la famille des fluides quantiques a été prouvée maintes fois à travers les observations de phénomènes de cohérence à l'échelle macroscopique, tels que la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein. À l'instar des atomes ultrafroids, les polaritons supportent à leur surface un ensemble d'excitations collectives, les modes de Bogoliubov, dont les spectres incorporent les informations clés pour décrire les dynamiques des fluides quantiques. Dans cette thèse, nous présentons une large variété de résultats au sujet de la détection et le contrôle de tels modes dans différentes configurations. Grâce au développement d'une nouvelle méthode de spectroscopie cohérente haute-résolution, nous avons mené une étude détaillée du spectre des excitions collectives des polaritons. En particulier, nous avons révélé l'impact de la nature forcée-dissipative du système sur les dynamiques fondamentales du fluide, en examinant la relation entre les modes de Bogoliubov et la bistabilité polaritonique en pompage cohérent. Ceci nous a conduits à observer, en plus des excitations soniques bien connues des superfluides, des modes précurseurs d'instabilités et la branche fantôme. Qui plus est, nous avons étudié le comportement de transitions de phase hors-équilibres: d'abord, via les effets de la dimension du système sur la bistabilité; puis, avec la génération d'un mode de Goldstone, en conséquence d'une rupture spontanée de symétrie en régime d'oscillation paramétrique. Finalement, nous avons conçu une géométrie de pompage qui permet le contrôle direct des modes d'instabilités entre des solitons sombres d'une paire guidée par un canal d'intensité et menant à la formation d'une avenue de vortex-antivortex dans la densité du fluide.
Ce travail est consacré à l'étude des propriétés des polaritons, particules mi-lumière mi-matière, en microcavité semi-conductrice. Leur caractère bosonique autorise l'accès à des régimes de cohérence macroscopique tels la condensation de Bose-Einstein et la superfl uidité que nous avons démontrée expérimentalement. Nous avons également développé une technique permettant de modifier optiquement l'environnement polaritonique par création de défauts arti ficiels, ce qui facilite l'obtention de comportements particuliers du fluide polaritonique comme la turbulence. Les fortes interactions dépendantes du spin entre ces particules, alliées à des vitesses de propagation très élevées du fait de leur composante photonique, nous ont permis de réaliser un interrupteur performant contrôlé optiquement, codé en polarisation et en intensité. Nous avons également réussi à manipuler la distribution spatiale en spin d'un faisceau de polaritons, et notamment à confi ner des états de spin pur sur des zones de quelques microns. Le phénomène de bistabilité présent dans le système nous a amené à reconsidérer le signe de la constante d'interaction entre polaritons de spin opposés. En fin, en régime d'oscillation paramétrique par mélange à quatre ondes, nous avons poursuivi l'étude de génération de photons jumeaux grâce à des mesures de corrélations et des analyses en bruit de la distribution modale transverse, dans diff érents types de cavités planaires puis dans des micropiliers (0D).
Condensats d'exciton-polariton hors équilibre : Propriétés statistiques et régimes universels en une et deux dimensions De nombreux systèmes, classiques ou quantiques, fermés ou ouverts, présentent des propriétés universelles. La condensation de Bose-Einstein est un phénomène emblématique dans la matière quantique, décrivant l'occupation macroscopique de l'état quantique fondamentale lorsqu'un paramètre de contrôle externe est ajusté. Dans cette thèse, nous nous intéressons à un type de condensat dissipatif formé par des exciton-polaritons. Ces quasi-particules sont créées par le pompage laser continu d'une microcavité semi-conductrice. Les photons injectés dans la cavité interagissent fortement avec les paires électron-trou, conduisant à une transition de condensation au-dessus d'un seuil de pompe. Dans ce travail, nous étudions l'émergence de caractéristiques clés des quasi-condensats de Bose-Einstein (BEC) à basse dimension dans les systèmes EP, à la fois en une et deux dimensions. Une caractéristique importante et largement étudiée des BEC à faible interaction réside dans l'énergie de l'état fondamental, en particulier dans la manière dont elle est affectée par des fluctuations quantique. Ces fluctuations décalent le spectre du condensat vers de plus hautes énergies, qui va au-delà des prédictions de champ moyen. Nous prédisons un effet analogue dans les condensats EP, cette fois induit par des fluctuations stochastiques provenant des gain et de pertes répétés dans la microcavité. En l'absence de défauts topologiques, nous calculons les corrections stochastiques du blueshift du condensat dans l'approximation de Bogoliubov. Ces prédictions sont ensuite comparées aux simulations numériques d'un condensat de polariton unidimensionnel. Dans ce contexte, nous mettons en évidence que les corrections du blueshift peuvent être interprétées comme la vitesse asymptotique d'une interface stochastique croissante. Cette interprétation découle de la correspondance entre la dynamique de phase effective et l'équation de Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), qui décrit les propriétés universelles de la dynamique de surfaces rugueuses. Une deuxième caractéristique importante des condensats de Bose-Einstein réside dans leurs propriétés de cohérence. En deux dimensions et à basse température, ils présentent une phase quasi-ordonnée caractérisée par une décroissance algébrique de la fonction de corrélation du premier ordre. Au-delà d'une température critique, décrite par le mécanisme Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), des paires vortex-antivortex sont nucléées dans le condensat, conduisant à une phase désordonnée avec une décroissance exponentielle des corrélations. Ces dernières années, un mécanisme similaire a été proposé pour les EP, en concurrence avec la physique émergente de KPZ, entravant son émergence. Alors que plusieurs études ont suggéré qu'une phase KPZ pourrait encore être accessible dans les expériences, une compréhension unifiée de ces scénarios concurrents dans des conditions réalistes est restée manquant e. Grâce à des simulations numériques de la dynamique du condensat, nous démontrons que la non-linéarité effective de la phase du condensat peut être finement ajustée sur une large plage en faisant varier la force d'interaction EP. Ce niveau de contrôle permet d'explorer trois régimes universels, dans un régime de paramètres compatibles avec les plateformes expérimentales actuelles : le régime Edwards-Wilkinson (EW) faiblement non linéaire ; le régime KPZ fortement non linéaire, où les fluctuations de phase du condensat augmentent de manière superdiffusive, conduisant à une rugosité de la phase ; et une phase dominée par les vortex émergeant lors d'interactions plus fortes, où la dynamique de la densité et de la phase joue un rôle important. La signature de chacune de ces phases est mise en évidence par la décroissance de la fonction de corrélation de premier ordre du condensat, ses effets de taille finie, ainsi que ses statistiques de fluctuation.
Ce travail est consacré aux microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Ces dispositifs permettent d'atteindre le régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique. Le dédoublement des résonances optiques s'interprète en termes de modes mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. On s'intéresse aux non-linéarités optiques provenant des interactions coulombiennes entre excitons et à leur influence sur les fluctuations quantiques du champ lumineux. Nous montrons qu'en excitation résonante sous incidence normale, les effets non linéaires peuvent être décrits par un mélange à quatre ondes dégénéré de polaritons donnant un terme de type Kerr. Une étude théorique détaillée démontre que l'on peut obtenir une compression de bruit du champ réfléchi par la cavité. Nous avons mené les études expérimentales sur une microcavité refroidie à 4K et excitée par un laser continu quasi-monochromatique. Le bruit est mesuré au moyen d'une détection homodyne. L'ensemble des résultats est en bon accord qualitatif avec le modèle. Nous observons un comportement bistable à haute intensité d'excitation. Nous mettons en évidence la dépendance en phase de l'émission, confirmant l'existence d'un effet non linéaire cohérent, et une réduction du bruit en dessous du bruit thermique provenant de la luminescence quasi-résonante. Enfin nous avons étudié théoriquement une autre configuration où l'angle d'incidence est choisi de façon à optimiser l'efficacité du processus de mélange paramétrique à quatre ondes non dégénéré de polaritons. Le comportement du système est alors analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique non dégénéré. Nous montrons que les intensités des deux faisceaux " signal " et " complémentaire " présentent des corrélations quantiques légèrement au-dessus du seuil d'oscillation paramétrique.
Dynamique des vortex et solitons dans les fluides quantiques de lumière Dans ce travail, nous utilisons les fluides quantiques de lumière comme plateforme expérimentale polyvalente pour explorer l'hydrodynamique superfluide et les phénomènes hors d'équilibre. En propageant un faisceau laser quasi résonant à travers une vapeur atomique chaude, nous créons un fluide bidimensionnel de photons dont la dynamique obéit aux mêmes équations que celles des gaz quantiques à interactions répulsives. Ce système optique offre un accès complet à la densité et à la phase, permettant l'observation directe de structures d'écoulement complexes et de la dynamique des vortex quantiques. Nous commençons par établir les propriétés fondamentales de cette plateforme et les principes expérimentaux de sa réalisation. Nous explorons ensuite différents régimes hydrodynamiques, allant des ensembles turbulents de vortex présentant des cascades d'énergie, jusqu'à l'interaction contrôlée de quelques vortex quantifiés. Ces études révèlent des phénomènes tels que la formation de solitons de Jones-Roberts à partir de dipôles vortex-antivortex, l'effondrement du mouvement de « saute-mouton » en ondes de choc dispersives, et la propulsion spontanée de défauts optiques induite par l'émission de vortex. Dans l'ensemble, cette thèse met en lumière la capacité unique des fluides quantiques de lumière à émuler l'hydrodynamique quantique, tout en apportant un nouvel éclairage sur les mécanismes microscopiques qui gouvernent la turbulence.
Dans ce travail, nous utilisons les fluides quantiques de lumière comme plateforme expérimentale polyvalente pour explorer l'hydrodynamique superfluide et les phénomènes hors d'équilibre. En propageant un faisceau laser quasi résonant à travers une vapeur atomique chaude, nous créons un fluide bidimensionnel de photons dont la dynamique obéit aux mêmes équations que celles des gaz quantiques à interactions répulsives. Ce système optique offre un accès complet à la densité et à la phase, permettant l'observation directe de structures d'écoulement complexes et de la dynamique des vortex quantiques. Nous commençons par établir les propriétés fondamentales de cette plateforme et les principes expérimentaux de sa réalisation. Nous explorons ensuite différents régimes hydrodynamiques, allant des ensembles turbulents de vortex présentant des cascades d'énergie, jusqu'à l'interaction contrôlée de quelques vortex quantifiés. Ces études révèlent des phénomènes tels que la formation de solitons de Jones-Roberts à partir de dipôles vortex-antivortex, l'effondrement du mouvement de « saute-mouton » en ondes de choc dispersives, et la propulsion spontanée de défauts optiques induite par l'émission de vortex. Dans l'ensemble, cette thèse met en lumière la capacité unique des fluides quantiques de lumière à émuler l'hydrodynamique quantique, tout en apportant un nouvel éclairage sur les mécanismes microscopiques qui gouvernent la turbulence.
Contrôle tout optique d'un fluide quantique de lumière en vapeur atomique chaude Les fluides quantiques de lumière présentent une plateforme nouvelle et prometteuse dans l’exploration de la physique des particules quantiques en interaction. Ici, nous étudions des fluides constitués de photons dont les interactions sont induites par une vapeur chaude de Rubidium. Pour décrire ces fluides, nous recourrons à un hamiltonien comprenant énergie cinétique, énergie potentielle et énergie d’interaction. Nous présentons dans cette thèse un contrôle tout optique de ces fluides où nous agissons sur chaque terme de ce hamiltonien. Nous avons mis en évidence la générations de corrélations non-classiques induites par le saut des interactions aux interfaces de notre milieu non-linéaire. Le contrôle de la réponse du milieu atomique est ensuite exploré en présentant un cadre numérique extensible qui permet de décrire des structures atomiques arbitraires, que nous utilisons ensuite pour décrire l’effet du pompage optique mis en œuvre afin de graver optiquement des potentiels dans le fluide de lumière. Nous caractérisons ensuite les propriétés de superfluidité des fluides de lumière et mesurons la vitesse critique autour d’un défaut créé grâce au contrôle du potentiel induit par pompage optique. Nous concluons en étudiant les interactions entre vortex optiques à travers une expérience mettant en lumière un comportement turbulent du fluide, et une expérience de collision de vortex optiques ouvrant la voie à la thermodynamique induite par des effets quantiques au-delà du champ moyen.