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Nouveaux états de bord dans un réseau de graphène photonique


Un graphène artificiel dévoile de nouvelles propriétés jusque-là inexplorées.

Depuis la découverte du graphène et de ses propriétés électroniques remarquables, un nouveau champ d’investigations, celui des « graphènes artificiels », s’est développé, visant à mettre en évidence ces propriétés dans d’autres systèmes physiques, dans le domaine de la matière condensée ou au-delà. Ainsi des réseaux en nid d’abeille de résonateurs microondes ou des réseaux d’atomes froids piégés dans des potentiels optiques ont permis de sonder certaines propriétés physiques inaccessibles dans le graphène [1].

Une nouvelle possibilité est offerte grâce à l’étude des polaritons de cavité. Ce sont des excitations élémentaires hybrides lumière-matière issues du couplage fort entre des oscillateurs matériels (les excitons d’un puits quantique) et des photons confinés dans une cavité. Une telle cavité ressemble à un atome artificiel avec des états (orbitales) dont les niveaux d’énergie quantifiés sont ici les fréquences des photons piégés dans les cavités.

Fig. 1 : (a) Dans ce micropilier est confiné un polariton, structure hybride lumière matière. (b) Les fréquences propres associées à ce polariton sont quantifiées, comme les niveaux électroniques dans un atome. (c) Réseau de micropiliers en nid d’abeilles. Dans ce réseau, les polaritons peuvent se propager, comme les électrons dans un cristal de graphène. d) Orbitales px, py. (e) Structure de bandes. Les nouvelles bandes sont en jaune et rouge.

Lorsque l’on couple ces cavités pour en faire un réseau en nid d’abeilles, on réalise ainsi une structure artificielle ressemblant à du graphène : les micropiliers jouent le rôle des atomes de carbone et les polaritons qui se propagent entre les micropiliers jouent le même rôle que les électrons dans le graphène (Fig.1). La richesse de ce système tient à ce que, contrairement au graphène, il est possible de sonder des orbitales de plus haute énergie, donc des bandes supérieures. Ainsi à partir des deux orbitales px et py associées au micropilier, on construit 4 nouvelles bandes d’énergie supérieure (Fig.1). Ces 4 nouvelles bandes ont une structure remarquable : elles consistent en deux bandes dispersives (comme celles du graphène) sandwichées entre deux bandes plates (Fig. 1d). Le travail, fruit d’une collaboration entre le C2N à Marcoussis pour les expériences, le LPS et le BEC-Center du département de physique de l’Université de Trento pour la théorie, a consisté à observer et caractériser les états de bords associés à ces nouvelles bandes (Fig.2). De façon remarquable, des nouveaux états de bords ont été observés, dont le domaine d’existence est exactement complémentaire de celui des états de bords de la bande s. Ce travail prélude à la compréhension des structures électroniques de matériaux émergeants bidimensionnels avec une structure orbitale plus complexe.

Fig. 2 : (a) feuille de graphène artificiel avec 3 types de bords. (b) relation de dispersion en volume mesurée par luminescence.(c) aux bords, apparition de nouveaux états. (d) en bleu états de volume, en rouge, positions attendues des nouveaux états de bord.

[1] Voir actualités CNRS du 23 mai 2012 : Des atomes froids pour comprendre la dynamique des électrons du graphène et du 5 février 2013 : Etudier avec des micro-ondes une transition topologique analogue à celle du graphène sous contrainte

Référence

Orbital Edge States in a Photonic Honeycomb Lattice
M. Milićević, T. Ozawa, G. Montambaux, I. Carusotto, E. Galopin, A. Lemaître, L. Le Gratiet, I. Sagnes, J. Bloch, and A. Amo
Physical Review Letters 118, 107403 (2017)
doi:10.1103/PhysRevLett.118.107403

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Gilles Montambaux, Jacqueline Bloch, Alberto Amo