Pureté spectrale ultra-élevée révélée dans un laser exciton-polariton

Les lasers à exciton-polariton, réputés pour leur fonctionnement à faible consommation, séduisent depuis longtemps les chercheurs avec leur promesse d'applications pratiques à faible consommation d'énergie. Cependant, jusqu’à présent, une mesure précise de la largeur de raie du laser, ou pureté spectrale, est restée difficile à réaliser.

“La pureté spectrale est l'une des caractéristiques déterminantes d'un laser, qui indique à quel point les énergies ou fréquences des photons individuels sont proches les unes des autres”, explique le Dr Eliezer Estrecho, chercheur à l'ARC DECRA.

La pureté spectrale d'un laser est quantifiée par une mesure appelée largeur de raie. Le défi de la mesure de la largeur de raie provient de la forte interaction des polaritons excitons entre eux et avec l'environnement, conduisant à des fluctuations importantes. Les mesures précédentes nécessitaient de faire la moyenne sur de longues périodes de temps pour déterminer la largeur de ligne, ce qui conduisait à une largeur de ligne artificiellement agrandie.

Pour éviter de faire une moyenne, les chercheurs ont utilisé une nouvelle méthode de mesure précise utilisant un interféromètre Fabry-Pérot à balayage commercial. L'étude est publiée dans Optique.

“L'interféromètre a permis d'obtenir des niveaux de détail sans précédent qui étaient obscurcis lors des mesures précédentes utilisant des techniques conventionnelles”, a commenté FLEET Ph.D. étudiante, Bianca Rae Fabricante.

Les expériences ont révélé que, contrairement aux hypothèses précédentes, le laser peut maintenir une largeur de raie ultra-étroite de 56 MHz ou 0,24 µeV, 10 fois plus petite que les résultats publiés précédemment.

Cela place les lasers à polariton au même niveau que la technologie de pointe actuelle VCSELS, largement utilisée dans la reconnaissance faciale et la réalité augmentée.

“Les lasers Polariton sont potentiellement meilleurs que les VCSELS pour les applications à faible énergie, car ils peuvent fonctionner à des puissances inférieures”, déclare le Dr Mateusz Król, chercheur à FLEET.

Le fonctionnement à faible puissance est possible car ces lasers tirent leur émission cohérente d’un état quantique cohérent macroscopiquement peuplé – un condensat bosonique de polaritons d’excitons. Contrairement aux lasers conventionnels qui reposent sur l’inversion de population, le déclenchement de l’effet laser peut être obtenu à des puissances de pompe inférieures.

L’étude remet également en question les idées reçues en démontrant que le chevauchement entre le condensat cohérent exciton-polariton et un réservoir incohérent de particules n’élargit pas de manière significative la largeur de la raie.

C’est une bonne nouvelle puisque le réservoir incohérent coexiste toujours avec les polaritons-excitons et on pensait initialement qu’il introduisait inévitablement un bruit important dans le laser à polaritons. L'étude révèle que tant que les polaritons sont confinés ou piégés, l'effet est faible.

“Notre travail repousse non seulement les limites de la technologie laser exciton-polariton, mais ouvre également de nouvelles voies pour l'utilisation des excitons-polaritons pour l'informatique classique et quantique”, a fait remarquer le Dr Estrecho.

Une largeur de ligne étroite signifie un temps de cohérence long, dans ce cas au moins 5,7 nanosecondes.

C'est suffisamment de temps pour effectuer, en principe, des milliers d'opérations successives sur la source du laser, un état quantique macroscopique d'excitons-polaritons condensés. Il s’agit d’une étape cruciale pour les applications de traitement de l’information quantique des polaritons.

L’impact de l’étude s’étend bien au-delà du domaine des excitons-polaritons, offrant des informations inestimables sur des domaines plus vastes. Établissant des parallèles avec les lasers photoniques et atomiques, la recherche ouvre la voie à une compréhension plus approfondie des spectres de bruit et des propriétés spectrales critiques pour diverses applications.

“Depuis leur découverte, les lasers à polariton à bas seuil qui ne nécessitent pas d'inversion de population attendent des applications pratiques. Notre étude suggère que de telles applications peuvent être plus larges qu'on ne le pensait auparavant”, a ajouté le professeur Elena Ostrovskaya, responsable du thème 2 de FLEET.