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La superfluidité des polaritons

La superfluidité, c’est-à-dire la propriété d’un fluide quantique de s’écouler sans friction, est l’un des phénomènes les plus spectaculaires qui peuvent être observés dans des gaz dégénérés de bosons. Depuis sa découverte en 1938 dans l’Hélium liquide, la superfluidité a été mise en évidence dans des systèmes très différents et le lien subtil entre superfluidité et condensation de Bose-Einstein a été exploré dans les expériences récentes avec les gaz d’atomes ultrafroids.

Dans le domaine de la matière condensée, les bosons bi-dimensionnels en faible interaction que sont les polaritons dans les microcavités semiconductrices constituent un nouveau type de fluide quantique avec des propriétés spécifiques provenant de leur nature intrinsèquement hors équilibre. Les polaritons sont en effet des superpositions d’excitons (états liés electron-trou) et de photons dans une microcavité en couplage fort et sont créés par une excitation laser. Après l’observation de la condensation de Bose-Einstein de polaritons dans de tels systèmes par plusieurs groupes dans le monde, un des défis pour les expérimentateurs était de mettre en évidence les propriétés de superfluidité du fluide de polaritons.
La superfluidité est démontrée sur la base du critère de Landau et se manifeste par la suppression totale de la diffusion élastique sur les défauts de la structure lorsque la vitesse d’écoulement du fluide polaritonique est inférieure à la vitesse du son dans le fluide. De plus, si la vitesse d’écoulement est supérieure à la vitesse du son, le régime superfluide n’est plus accessible et on observe l’effet Cerenkov, avec l’apparition des fronts d’onde linéaires caractéristiques lorsque le fluide polaritonique rencontre un défaut.
Les résultats expérimentaux sont en excellent accord quantitatif avec les prédictions basées sur une théorie de Gross-Pitaevskii généralisée.