Cette thèse est dédiée à l'interprétation théorique des expériences sur les gaz froids des excitons indirects dans des nanostructures semi-conductrices. La théorie proposée explique la formation de l'état des excitons macroscopiquement ordonnés ("MOES") et des taches lumineuses localisées dans les images de photoluminescence des excitons. Dans la première partie je montrerai que la séparation macroscopique de charge induite par laser mène à l'apparition d'un champ électrique situé dans le plan de la structure. A cause de ce champ les états quantiques 1s et 2p de l'exciton se croisent et son moment dipolaire s'incline. Par conséquent, l'exciton va se localiser à la frontière entre les deux domaines d'une charge différente, où le champ électrique est le plus fort. Ensuite, j'étudierai un gaz d'excitons mis dans de tels pièges bidimensionnels en négligeant sa structure de spin. J'analyserai la possibilité de la condensation de Bose-Einstein dans le système considéré en utilisant les méthodes puissantes de la théorie à N-corps développées pour des gaz atomiques. En me basant sur le Hamiltonien pour un segment du cercle bidimensionnel ("2D cigar"), je montrerai que la dispersion cohérente des excitons mène à l'autolocalisation accompagnée par une modulation périodique de la densité. L'idée principale de la théorie est, ensuite, de modéliser cet état périodique par une chaîne de condensats piégés (Le Modèle de Chaîne). Un tel modèle permettra de dire que le système peut exhiber la transition de phase de second ordre pour certaines valeurs du paramètre qui caractérise les interactions. La valeur critique de ce paramètre peut être trouvée en analysant le comportement des fluctuations de phase à la température nulle. Le nombre de condensats dans le régime où les interactions sont fortes est déterminé par la balance entre les contributions de l'énergie cinétique est l'entropie dans l'énergie libre du système. Le Modèle de Chaîne permettra aussi de révéler l'invariance d''échelle et l'universalité du phénomène. J'obtiendrai l'expression pour la température unique de la transition de phase dans le système excitonique et discuterai l'effet de désordre. Je finirai par une discussion du rôle des interactions à N-corps et des effets de spin dans la condensation de Bose-Einstein des excitons. Je proposerai un modèle de gaz idéal pour décrire les textures de polarisation linéaire observées autour de chaque tache lumineuse et chaque fragment de MOES. Selon ce modèle, le domaine central incohérent de tous ces objets est composé d'une glace excitonique quantique. / The present Thesis is devoted to theoretical interpretation of intriguing observations made recently in cold gases of indirect excitons in semiconductor quantum wells. The proposed theory provides simple intuitive explanation for the basic phenomenology of the macroscopically ordered exciton state (MOES) and the localized bright spots (LBS) in the exciton photoluminescense pattern. The Thesis is organized as follows.First, we provide an important insight into the formation process of the external ring and LBS. We show that the macroscopic charge separation induced by the photoexcitation results in appearance of an in-plane electric field in the vicinity of the boundary. The field hybridizes 1s and 2p quantum states of an indirect exciton, effectively tilting its dipole moment. Thus polarized exciton seeks for the regions with higher in-plane electric field and, hence, becomes localized at the ring-shaped boundary.As a next step, we consider a gas of spinless dipolar bosons put in such two-dimensional (2D) traps. We analyze the possibility for occurence of Bose-Einstein condensation (BEC) in the system under consideration by means of the powerful many-body theoretical methods developed for ultracold atomic gases. Starting from the Hamiltonian for a segment of the ring (2D cigar) we show, howthe coherent scattering of excitons can result in autolocalization accompanied by a buildup of the diagonal long-range order. The crucial point of the theory then consists in replacement of the periodic coherent state by a chain of harmonically trapped condensates (Chain Model). We argue, that for sufficiently strong contact interaction between the excitons the system can exhibit the true second order phase transistion at finite temperature. The critical value of the interaction parameter can be found by analyzing the behaviour of the quantum phase fluctuations at zero temperature. The number of condensates at the ring in the strongly interacting regime is defined by the balance between the kinetic energy and the entropy terms in the free energy of the system.Futhermore, the use of the Chain Model of the MOES allows one to reveal scale invariance and universality of the pnenomenon. We obtain the expression for the unique critical temperature of the second order phase transition in the exciton system and discuss the effect of disorder.Finally, we comment on the role of many-body interactions and spin degrees of freedom in excitonic BEC. We suggest that each bead (or, equivalently, LBS) has the internal structure: it consists of a solid core (Quantum Exciton Iceberg) surrounded by a coherent exciton fluid. We develop an ideal gas model for the coherent four-component exciton fluid which allows one to explain the measured linear polarization patterns.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2014MON20046 |
| Date | 16 May 2014 |
| Creators | Andreev, Sergueï |
| Contributors | Montpellier 2, Scalbert, Denis, Kavokin, Alexey V. |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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