Rashba-Dresselhaus spin-orbit coupling in topological physics and exciton-polariton fluids
Couplage spin-orbite de Rashba-Dresselhaus en physique topologique et fluides d'exciton-polaritons
Résumé
Additional degrees of freedom enrich the physics of systems and provide the supplementary control knobs necessary for achieving applications. For example, by including the electron spin in the description of electron transport in solids, the whole field of spintronics has emerged, which now counts many applications, such as magnetic memory storage devices, magnetic sensors, spin-polarized LEDs and lasers, spin transistors, etc. In the domain of Topological Physics, the inclusion of the spin gave rise to the quantum spin Hall insulators and superconductors, Weyl semimetals, and other interesting topological phases of matter.The core of many of these effects lies in the spin-orbit coupling, the link between electron spin and its motion. Generically, electronic spin-orbit coupling is described by a superposition of Rashba and Dresselhaus contributions. Under proper fabrication and tuning of parameters, these two contributions can be balanced, giving rise to a particular regime of Rashba-Dresselhaus spin-orbit coupling (RDSOC). It turns out that the same type of balanced spin-orbit coupling is possible to realize in photonics and atomic gases, where the role of spin is played by the light polarization in the case of photons and two hyperfine levels in the case of atoms. The investigation of possible effects originating from RDSOC is the main scope of this theoretical thesis.First, we investigate how the incorporation of RDSOC can induce or modify the topology of different systems. We start by constructing a proper generic tight-binding description of lattices in the presence of RDSOC. We distinguish two regimes provided by RDSOC: tunneling amplitude and phase control regimes. The first allows us to demonstrate the topology control of the Su-Schrieffer-Heeger chain. The second paves the way towards realization of the Harper-Hofstadter model. We then extend our study to non-Hermitian systems. By adding a non-Hermiticity into the system, the tunneling becomes non-reciprocal. In the case of a monomer chain, it gives rise to the spin non-Hermitian skin effect, where the monomer chain splits into two orthogonally-polarized copies, each realizing the Hatano-Nelson model. A similar effect happens for an SSH chain with RDSOC, with the addition of anomalous bulk-boundary correspondence.In this thesis, we focus on a particular realization of the RDSOC in a nematic liquid crystal planar microcavity. This system provides a fine tunability of band structure, vast engineering capabilities, including lithography, it possesses all the advantages of photonic systems, such as direct access to the eigenstates, light-matter coupling, unique nonlinear properties, and, finally, it offers a path towards non-Hermitian physics due to the open nature of photonic systems. We show that the effects suggested above can be realized in the liquid crystal microcavities, and some of them have already been realized after our proposals.Finally, we devote the last part of this thesis to the description of exciton-polariton fluids under RDSOC. We suggest a new approach for the strong coupling confirmation in a system with a tunable band structure. We apply this approach to the experimental results obtained in a hybrid liquid crystal - organic polymer microcavity. We further investigate this system in the condensed regime, demonstrating and studying the stripe phase of the polariton fluid, a hallmark of the supersolidity.
Des degrés de liberté supplémentaires enrichissent la physique des systèmes et fournissent les leviers de contrôle supplémentaires nécessaires à la réalisation d'applications. Par exemple, en incluant le spin de l'électron dans la description du transport électronique dans les solides, tout le domaine de la spintronique a émergé, lequel compte désormais de nombreuses applications, telles que les dispositifs de stockage de mémoire magnétique, les capteurs magnétiques, les DEL et lasers polarisés en spin, les transistors à spin, etc. Dans le domaine de la physique topologique, l'inclusion du spin a donné naissance aux isolants et supraconducteurs de Hall quantique de spin, aux semi-métaux de Weyl, ainsi qu'à d'autres phases topologiques intéressantes de la matière.Le cœur de nombreux de ces effets réside dans le couplage spin-orbite, le lien entre le spin de l'électron et son mouvement. En général, le couplage spin-orbite électronique est décrit par une superposition des contributions de Rashba et de Dresselhaus. Sous une fabrication et un réglage appropriés des paramètres, ces deux contributions peuvent être équilibrées, donnant lieu à un régime particulier de couplage spin-orbite de Rashba-Dresselhaus (RDSOC). Il se trouve que le même type de couplage spin-orbite équilibré peut être réalisé dans les systèmes photoniques et les gaz atomiques, où le rôle du spin est joué par la polarisation de la lumière dans le cas des photons et par deux niveaux hyperfins dans le cas des atomes. L'étude des effets possibles provenant du RDSOC est l'objectif principal de cette thèse théorique.Tout d'abord, nous examinons comment l'incorporation du RDSOC peut induire ou modifier la topologie de différents systèmes. Nous commençons par construire une description générique et appropriée des liaisons fortes dans des réseaux en présence de RDSOC. Nous distinguons deux régimes fournis par le RDSOC : les régimes de contrôle de l'amplitude et de la phase des coefficients de couplage. Le premier nous permet de démontrer le contrôle topologique de la chaîne de Su-Schrieffer-Heeger. Le second ouvre la voie à la réalisation du modèle de Harper-Hofstadter. Nous élargissons ensuite notre étude aux systèmes non-Hermitiens. En introduisant la non-Hermiticité dans le système, l'effet tunnel devient non-réciproque. Dans le cas d'une chaîne de monomères, cela donne lieu à l'effet de peau non-Hermitien de spin, où la chaîne de monomères se divise en deux copies orthogonalement polarisées, chacune réalisant le modèle de Hatano-Nelson. Un effet similaire se produit pour une chaîne SSH avec RDSOC, conduisant à une correspondance anormale entre le volume et les bords.Dans cette thèse, nous nous concentrons sur une réalisation particulière du RDSOC dans une microcavité planaire à cristaux liquides nématiques. Ce système offre une grande flexibilité de la structure de bande, de vastes capacités d'ingénierie, y compris par lithographie, il possède tous les avantages des systèmes photoniques, tels que l'accès direct aux états propres, le couplage lumière-matière, des propriétés non linéaires uniques et, enfin, il offre une voie vers la physique non-Hermitienne en raison de la nature ouverte des systèmes photoniques. Nous montrons que les effets suggérés ci-dessus peuvent être réalisés dans des microcavités avec cristaux liquides, et certains ont déjà été réalisés après nos propositions.Enfin, nous consacrons la dernière partie de cette thèse à la description des fluides d'exciton-polaritons sous RDSOC. Nous proposons une nouvelle approche pour confirmer le couplage fort dans un système à structure de bande modulable. Nous appliquons cette approche aux résultats expérimentaux obtenus dans une microcavité hybride cristaux liquides-polymère organique. Nous poursuivons l'étude de ce système dans le régime condensé, en démontrant et en étudiant la phase « stripes » du fluide polaritonique, une caractéristique emblématique de la supersolidité.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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