Ultra-strong light-matter coupling and superradiance using dense electron gases

Nous passons en revue la physique de l'interaction entre un gaz bidimensionnel d'électrons et un mode photonique de microcavité. Pour des densités électroniques suffisamment grandes, le système rentre dans le régime de couplage ultra-fort, dans lequel l'énergie de Rabi, qui mesure l'intensité du couplage lumière-matière, est du même ordre de grandeur que l'excitation dans la matière. Le couplage ultra-fort a été démontré expérimentalement en insérant un semiconducteur fortement dopé entre deux couches métalliques, qui forment une cavité avec un confinement très sub-longueur d'onde du champ électromagnétique. À température ambiante, une valeur record (73%) du rapport entre l'énergie de Rabi et celle de l'éxcitation électronique (l'énergie de Rabi relative) a été mesurée, ainsi qu'une large bande interdite photonique induite par l'anticroisement entre les branches polaritoniques. Le couplage ultra-fort est une manifestation de l'existence d'un dipôle coopératif, proportionnel au nombre d'électrons qui participent à l'interaction avec la lumière. Ce très fort couplage apparaît aussi en l'absence d'une microcavité et, dans le cas d'un dipôle couplé à l'espace libre, donne lieu au phénomène de superradiance.