Publié le mardi 14 avril 2009. 

La génération de lumière par effet laser à l’aide de polaritons révèle un gain proche de 100, bien plus élevé que ce qui est réalisé à l’aide des lasers conventionnels. De nouvelles avancées montrent que des diodes à polaritons sont réalisables à température ambiante, ouvrant de nouvelles perspectives d’applications.

L’effet laser [1], prédit par Albert Einstein en 1917, et réalisé pour la première fois en laboratoire en 1960, est employé dans de nombreux dispositifs. D’abord constitués d’encombrantes cavités excitant des gaz, la plupart des lasers courants utilisent aujourd’hui des semiconducteurs, bien plus compacts, pouvant être embarqués dans des pointeurs lasers ou dans les media optiques pour lire CD, DVD et Blu-Ray. La demande va vers les lasers de plus petite longueur d’onde, afin de toujours augmenter les capacités de stockage. Cependant les semiconducteurs au nitrure de gallium (GaN), utilisés pour produire la lumière laser bleue dans la technologie Blu-Ray, tendent à être fragiles et tombent plus facilement en panne que les lasers rouges utilisés dans les technologies CD et DVD, ce qui augmente les coûts de production des lecteurs. Des chercheurs se tournent donc vers d’autres alternatives, et parmi celles-ci les lasers à polaritons, étudiés depuis la fin des années 1990, semblent prometteurs.

Les polaritons sont des objets typiquement quantiques, observés pour la première fois au début des années 1990. Nous en avions déjà parlé lorsque des chercheurs de l’EPFL les avaient utilisés pour réaliser un condensat de Bose-Einstein "chaud". Pour obtenir un polariton, un puits quantique est nécessaire. Ce dernier consiste à confiner les électrons dans les trois dimensions de l’espace, les empêchant de sortir d’une "boîte" ; ils ne peuvent alors emprunter qu’un nombre limité d’états. Lorsqu’un photon est envoyé dans une telle "boîte" quantique, il va exciter un électron dans la bande de conduction, laissant un trou dans la bande de valence. Un tel système électron-trou constitue un exciton. La durée de vie d’une telle quasi-particule est restreinte, très vite l’électron va se recombiner avec le trou et relâcher le photon. Si on place une telle boîte entre deux miroirs, alors le photon va revenir exciter l’électron, celui-ci va le réémettre en se désexcitant, puis le photon va rebondir sur le miroir, et de nouveau exciter l’électron... Si cette cavité résonnante satisfait certaines propriétés (distance entre les deux miroirs, nombre de puits quantiques...), alors l’énergie subira des transformations entre les deux états (photon et électron excité) si rapidement que ces deux états ne pourront plus être distingués, suivant le principe de Heisenberg. On obtient alors un nouveau type de particule, ou plutôt de quasi-particule : le polariton.

Un polariton est donc constitué d’un électron et d’un photon intriqués ; cependant un polariton n’a ni les propriétés de l’un, ni de l’autre. Un électron est un fermion, il ne peut donc se trouver dans le même état qu’un autre électron. A l’inverse, le polariton est un boson, comme le photon ; il a donc la tendance inverse, à savoir se mettre dans le même état quantique que les autres polaritons. Puisque le photon a une masse nulle, on pourrait s’attendre à ce qu’un polariton ait la masse de l’électron. En réalité sa masse est bien plus petite, environ un dix-millième de celle de l’électron.

En 2000, des chercheurs anglais montraient que les lasers à polaritons pouvaient atteindre des gains optiques proches de 100 (Ref.1), soit bien plus élevés que ce qui peut être obtenu par les lasers conventionnels actuels. Ces résultats assuraient un avenir prometteur à ces dispositifs, la recherche s’est donc considérablement accélérée, et un nombre impressionnant de résultats ont été obtenus depuis. En février dernier, des chercheurs de l’Université de Crète (Grèce) ont annoncé être parvenus à réaliser une diode électroluminescente fonctionnant à l’aide de polaritons, à température ambiante (Ref.3). Leur structure est constituée de puits quantiques d’arsenure de gallium (GaAs), excités à l’aide d’un laser conventionnel. Après les résultats théoriques obtenus par les théoriciens, les expérimentateurs grecs ont montré que de telles structures permettent bel et bien de produire de la lumière en excitant les polaritons dans ces cavités, pour la première fois à température ambiante. Les chercheurs ont montré qu’en augmentant le nombre de puits quantiques au sein de la cavité, il est possible d’augmenter la température de fonctionnement du dispositif.

Pour l’instant, il est nécessaire de recourir à un laser pour exciter les cavités optiques, ce qui reste une difficulté majeure. Pour être intégré dans des dispositifs électroniques, il faudrait que ces diodes à polaritons fonctionnent à l’aide d’un simple courant électrique. Les chercheurs espèrent satisfaire ces contraintes dans les années à venir.

L’avantage de ces dispositifs à polaritons est qu’ils utilisent des matériaux et des process de fabrication similaires à ceux utilisés dans les lasers à semiconducteurs actuels. Leur production à l’échelle industrielle devrait donc se faire sans trop de problème, gardant les coûts de fabrication et de vente dans des fourchettes raisonnables. Ils sont également moins gourmands en énergie que les lasers actuellement sur le marché. Du fait de l’état quantique intriqué des polaritons, ils pourraient également avoir un grand intérêt pour le traitement de l’information et le cryptage, tel que dans l’ordinateur quantique.

Brève proposée par P. Hirel

Références :
(1) P. G. Savvidis et al., "Angle-Resonant Stimulated Polariton Amplifier", Phys. Rev. Lett. 84, 1547 - 1550 (2000) | doi:10.1103/PhysRevLett.84.1547
(2) S. Christopoulos et al., "Room-Temperature Polariton Lasing in Semiconductor Microcavities", Phys. Rev. Lett. 98, 126405 (2007) | doi:10.1103/PhysRevLett.98.126405
(3) S. I. Tsintzos et al., "Room temperature GaAs exciton-polariton light emitting diode", Appl. Phys. Lett. 94, 071109 (2009) | doi:10.1063/1.3082093