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Bilayer Graphene Exciton Polariton

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La dynamique exciton–photon dans le graphène

Un projet financé par l'UE a étudié les interactions lumière-matière dans le graphène bicouche avec une bande d'énergie interdite. Les résultats du projet ouvriront la voie au développement d'appareils optoélectroniques de pointe.

Énergie

Les excitons, des quasiparticules neutres qui existent dans les semi-conducteurs, présentent un lien solide avec la lumière. L'intégration de graphène bicouche avec une bande d'énergie interdite dans les microcavités optiques permet un contrôle des interactions qui peut mener à un régime d'accouplement solide. Une telle interaction entraîne la formation d'une nouvelle sorte de quasiparticule appelée exciton-polariton qui est une quasiparticule bosonique moitié lumière, moitié matière. Avec le financement par l'UE du projet BIGEXPO («Bilayer graphene exciton polariton»), les scientifiques visaient à améliorer la compréhension de l'accouplement du graphène bicouche au champ photonique d'une microcavité. Sur la base d'une approche sans perturbation, BIGEXPO a étudié le phénomène qui se produit lorsqu'une couche dipôle comme une feuille de graphène interagit avec un champ électromagnétique. Les résultats de l'étude ont montré que l'effet de Purcell décompose de manière contre-intuitive, le taux d'émission spontané dégringole alors dans un régime d'accouplement solide. En outre, les scientifiques ont conclu que les approximations actuelles des émissions photoniques doivent être modifiées. Une autre tâche consistait à développer une théorie microscopique décrivant l'accouplement entre les excitons en graphène bicouche et les photons. Une fois entièrement développée, cette théorie devrait offrir une description complète de la physique sous-jacente de l'interaction lumière-matière. La nature non-perturbatrice de l'accouplement est responsable d'effets physiques extraordinaires. BIGEXPO a cherché à améliorer la compréhension des processus physiques régissant la dynamique exciton–photon dans les microcavités. Considérant son grand moment dipôle excitonique, le système microgravité graphène pourrait repousser les frontières de la recherche dans l'électrodynamique quantique de la cavité solide. Non seulement, cela permettra l'observation d'un nouveau régime d'accouplement lumière-matière fortement corrélé, mais cela conduira également à une nouvelle génération d'appareils optoélectroniques térahertz et à infrarouges moyens super-efficaces.

Mots‑clés

Graphène, interaction lumière-matière, optoélectronique, graphène bicouche, exciton polariton

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