Recherche
Ce que nous faisons...
La vision de haut niveau de la Chaire d'excellence en recherche du Canada (CERC) sur les interactions lumière-matière est d'apporter de nouvelles connaissances sur les propriétés des systèmes microscopiques constitués de nombreuses particules induites par la lumière en interaction à l'état solide, ce qui permettra de découvrir et de mettre en œuvre de nouveaux matériaux pour la photonique et les technologies quantiques.
Ces particules interagissent non seulement entre elles, mais aussi avec l'environnement complexe dans lequel elles résident, et leur dynamique quantique dépend intrinsèquement de cette danse à plusieurs partenaires sur une piste en mouvement.
Par exemple, dans les dispositifs conçus pour la photonique quantique, il est essentiel de savoir s'ils émettent de la lumière quantique ou classique. Afin de réaliser de tels dispositifs, il s'avère nécessaire de trouver des moyens de manipuler et de contrôler l'état quantique des excitations lumière-matière.
Nous sommes actifs dans cet aspect de la physique fondamentale des matériaux. Plus précisément, nos recherches portent sur:
I
Les mécanismes par lesquels les états excités induits par la lumière interagissent dans un environnement complexe, fluctuant, voire coévolutif, pour déterminer les propriétés photophysiques et optiques des matériaux.
II
Les interactions entre les quasiparticules hybrides de lumière-matière dans les dispositifs photoniques et optiques.
III
La recherche de signatures optiques d'un état fondamental intriqué dans les matériaux électroniques fortement corrélés. Le but ultime est de contrôler cet état quantique de la matière pour les technologies quantiques.
La CERC développera en parallèle des programmes innovants de formation et d'équité, de diversité et d'inclusion, qui feront partie intégrante de son programme de recherche.
Axe 1
Sondes spectroscopiques d'intrication dans la matière fortement corrélée
Comment les photoexcitations primaires interagissent-elles entre elles et avec un environnement complexe? Comment ces couplages à plusieurs corps déterminent-ils la dynamique quantique qui sous-tend les propriétés optiques? Quelles sont les signatures optiques de l'intrication spin-orbite à l'état fondamental dans les systèmes fortement corrélés?
- Développer des techniques spectroscopiques non linéaires ultrarapides et cohérentes pour sonder les corrélations électroniques, magnétiques et vibrationnelles à plusieurs corps par l'entremise de la dynamique des états excités dans des matériaux bien connus présentant des phases corrélées de la matière (par exemple les isolants de Mott et les anti-ferromagnétiques).
- Étendre nos recherches à la réponse non linéaire cohérente de matériaux présentant une physique exotique, tels que les supraconducteurs à haute température.
- Développer des outils théoriques appropriés pour modéliser les interactions lumière-matière et la dynamique quantique des états excités dans les matériaux hautement corrélés.
- Développer des modèles théoriques phénoménologiques de la matière pour guider l'interprétation des spectres non linéaires ultrarapides cohérents.
- Rechercher des matériaux candidats présentant un comportement indiquant la présence d'un liquide de spin quantique grâce à leur réponse optique non linéaire cohérente.
- Explorer de nouvelles familles de matériaux pour le comportement d'un liquide de spin quantique.
Axe 2
Physique des polaritons à plusieurs corps
Comment les interactions à plusieurs corps dans la matière influencent-elles les interactions entre les quasi-particules hybrides lumière-matière dans le régime de couplage fort? Comment cette dynamique quantique régit-elle la formation d'états fondamentaux quantiques dans les dispositifs photoniques?
- Mesurer la dynamique quantique des excitons-polaritons avec une résolution complète en énergie et en quantité de mouvement au moyen de sondes spectroscopiques hyperspectrales non linéaires (χ(3)) dans l'espace de Fourier, à savoir la photoréflectance transitoire (TPR) et la photoréflectance transitoire cohérente bidimensionnelle (2D-TPR). Parallèlement, isoler les dynamiques de population non linéaires au moyen de l'imagerie hyperspectrale dans l'espace de Fourier de photoluminescence par excitation corrélée.
- Résoudre les corrélations induites par le réservoir d'excitons sombres, en particulier les corrélations multi-polariton et polariton-exciton, au moyen de la spectroscopie cohérente bidimensionnelle non linéaire d'ordre supérieur (χ(5), χ(7)) mettant en œuvre un schéma expérimental d'adaptation de phase et d'ordonnancement temporel.
- Modéliser théoriquement les formes spectrales non linéaires cohérentes mesurées dans les objectifs 1 & 2 en utilisant QuDPy, un outil de dynamique quantique pour calculer les réponses optiques non linéaires ultrarapides. Nous utiliserons QuDPy pour entraîner un réseau de neurones et décoder ensuite les spectres non linéaires cohérents expérimentaux en terme des contributions d'effets à plusieurs corps.
Axe 3
Interfaces
Peut-on utiliser la dynamique quantique lumière-matière dans des technologies photoniques impliquant des interactions entre des molécules et des interfaces?
Le développement de nouveaux matériaux et interfaces de dimensionnalité réduite pour l'électronique et l'optoélectronique contribuera à maintenir un leadership international dans le domaine des matériaux quantiques.
Les professeurs Martel et Bouilly, de l'équipe du noyau de la CERC, ont mené ces dernières années plusieurs travaux ciblant de nouveaux phénomènes quantiques dans les matériaux 1D et 2D afin d'augmenter l'interaction lumière-matière et la transduction chimique.
En collaboration avec le professeur Silva, ce project explorera plus spécifiquement les nanostructures composées de graphène, de nanotubes (CNT) et d'autres structures nanohybrides composées de ces blocs de construction. Plus précisément, l'équipe vise à contrôler les résonances optiques dans les matériaux 2D et les membranes à base de graphène.
Référentiel de publications
