Gotowa bibliografia na temat „Physique non-hermitienne”

Les nano-cavités, plus généralement les cavités électromagnétiques, sont des systèmes ouverts qui ne conservent pas l'énergie : leurs « modes propres », c’est-à-dire leurs résonances naturelles, soulèvent des difficultés théoriques qui ont longtemps freiné le développement d’une théorie modale. Des progrès récents importants viennent d’être enregistrés. Ils impactent la façon de modéliser et comprendre les nano-résonateurs. Ils prédisent aussi des effets contre-intuitifs qui conduisent à revisiter des grands classiques du confinement, comme l’effet Purcell ou la théorie de perturbation des cavités, souvent indûment considérés dans un cadre hermitien.

Les cavités couplées à base de cristal photonique (PhC) représentent des plates-formes intéressantes pour de nombreux protocoles d'information ou de calcul, tant classiques que quantiques. Elles servent également de bancs d'essai très polyvalents pour étudier des phénomènes optiques avancés, tels que les zero-modes photoniques non Hermitiens. Ces zero-modes, des états liés intrigants ayant suscité l'intérêt à travers le cas des zero-modes de Majorana, présentent des valeurs propres d'énergie nulle dans un réseau de cavités ou de guides d'ondes. En tant que modes protégés topologiquement ou symétriquement, on s'attend à ce qu'ils soient robustes face aux désordres de couplage, ouvrant ainsi un large éventail d'applications, de l'ingénierie des modes laser au calcul optique. Ce travail de thèse présentel'observation expérimentale des zer-modes photoniques dans des réseaux unidimensionnels de cavités couplées présentant une distribution de gain/perte, également appelés réseaux non Hermitiens. Notre étude s'est focalisée sur des réseaux composés d'un nombre impair de cavités (trois et cinq). Nous avons notamment constaté que le contrôle du couplage évanescent entre les cavités modifie considérablement le désaccord en fréquence, ce qui entrave la réalisation des zero-modes. Pour contourner ce problème, nous avons développé un nouveau design que nous avons appelée "technique d'ingénierie des barrières images", permettant un contrôle précis de la force de couplage au sein de réseaux unidimensionnels de cavités couplées sans le désaccord en fréquence concomitant causé par les terminaisons dans la chaîne, élargissant ainsiconsidérablement la plage d'observabilité des modes zéro. Cette méthode facilite également la construction de chaînes de cavités avec un couplage non uniforme, ce qui nous permet d'évaluer l'immunité inhérente des zero-modes face aux perturbations de couplage. Remarquablement, la capacité à inverser les signes de couplage permise par notre méthode de contrôle du couplage conduit à une inversion de la symétrie du zero-mode, permettant donc d'élargir le potentiel pour des investigations expérimentales et théoriques de ces modes. Cela offre une possibilité de réaliser une oscillation de zero-mode en phase, une caractéristique intéressante pour exalter le champ lointain des lasers topologiques
Coupled photonic crystal (PhC) cavities are outstanding platforms for many classical and quantum information or computing protocols. They are also highly versatile testbeds for exploring advanced collective optical phenomena, such as the so-called non-Hermitian photonic zero modes. Zero modes are intriguing bound states that have captured attention through the elusive case of Majorana zero modes. In optics, “photonic zero-modes” exhibit zero-energy eigenvalues in a cavity or waveguide array. Being topologically or symmetry-protected modes, they are expected to be robust against coupling disorder, opening up a wide range of applications, from laser mode engineering to optical computing. This thesis work presents the experimental observation of photonic zero modes in small coupled cavity arrays featuring a gain/loss distribution -also called non-Hermitian arrays composed of an odd number of photonic crystal (PhC) cavities, from three to five. Importantly,we have found that controlling the evanescent coupling between the cavities significantly alters the frequency detuning which hampers the realization of zero modes.To address this issue, we developed a new design that we called “image barrier ” engineering technique, which enables precise control of coupling strength within 1D arrays of coupled cavities without the concomitant frequency detuning caused byterminations in the chain, thus, significantly expanding the observability range of zero modes. This method also facilitates the construction of cavity chains with nonuniform coupling, thus allowing us to assess the inherent immunity of zero modesto coupling perturbations. Remarkably, the ability to invert coupling signs enabled by our coupling control method leads to achieving an inversion of the zero mode's symmetry, broadening the potential for experimental and theoretical investigationsof these modes, either symmetry or topologically protected. This gives a handle to realize in-phase zero-mode oscillation, a crucial requirement to improve the far-field of topological lasers

La conservation de l'énergie façonne notre compréhension de la réalité. Néanmoins, ce principe peut être violé lorsqu’on considère un sous-système où l'énergie peut être échangée avec l'environnement externe. Un tel scénario physique peut être décrit par un Hamiltonien non-Hermitien présentant un spectre d'énergies complexes. L'étude des systèmes non-Hermitiens a connu des avancées remarquables depuis la découverte de la symétrie Parité-Temps (PT). Dans un tel système PT-symétrique, une singularité, appelée point exceptionnel (EP), a récemment suscité une attention considérable. Dans les systèmes optiques avec des composants gain/pertes, les points exceptionnels sont généralement définis sous le seuil de laser, spécifiquement dans le régime linéaire. En revanche, les dynamiques complexes liées aux points exceptionnels au-dessus du seuil laser n'ont pas encore été explorées. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons, à la fois théoriquement et expérimentalement, que les singularités EP dans des nanolasers couplés à cristal photonique en semi-conducteurs III-V peuvent être approchées au-dessus du seuil de laser, où elles deviennent des points de bifurcation non linéaires. Contrairement à l’idée préconçue selon laquelle le désaccord de cavité empêche la formation des EPs, nous montrons que, dans le contexte des systèmes lasers à semi-conducteurs, un tel désaccord est essentiel pour compenser le décalage de fréquence induit par les porteurs de charge. Le suivi continu du point exceptionnel en régime laser est rendu possible grâce à des expériences de photoluminescence avec une distribution spatiale contrôlable du faisceau de pompe. La deuxième partie de cette thèse aborde la mise en œuvre des mode zéro laser, qui attirent une attention considérable en raison de leur protection par la symétrie ou la topologie des réseaux : il s’agit du domaine des lasers topologiques. Le mode zéro en régime laser est d'abord démontré dans un système à trois nanocavités couplées (trimère) avec un pompage quasi égal sur les deux cavités extrêmes. Néanmoins, les modes zéro photoniques conventionnels, distingués par une émission en opposition de phase une distribution d'intensité confinée aux bords du système (edge modes), limitent considérablement leur applicabilité. Nous pallions à ces deux limitations par la technique d'ingénierie image-barrière d’une part, et la non-Hermiticité d’autre part. La première peut inverser le signe du couplage inter-cavité et générer un mode zéro en accord de phase; la seconde peut réaliser un mode zéro dans le volume (bulk) grâce à la restauration spontanée de la symétrie particule-trou non-Hermitienne. Enfin, nous explorons l'émergence à la fois des EP et du mode zéro dans une structure bidimensionnelle comprenant quatre nanolasers couplés disposés en anneau. La symétrie chirale non-Hermitienne génère un mode zéro à travers la coalescence des modes au niveau du EP, qui est ensuite stabilisée par une saturation non linéaire. De manière surprenante, les modes zéro au EP présentent une singularité de phase, à l’origine d’un vortex optique, observé expérimentalement à l'aide d’un interféromètre de Sagnac. Cette thèse se conclut par la présentation d'une application intrigante du mode zéro : le calcul optique. Nous démontrons, tant théoriquement qu’expérimentalement, que nos nanolasers peuvent exécuter des tâches de classification non triviales, qui s’avèrent difficiles pour une structure de calcul en réseau neuronal à une seule couche. Nous montrons que la couche complexe de nanolasers améliore considérablement la précision de calcul, notamment pour une faible dimensionalité des données d’entrée
Energy conservation shapes our understanding of reality. Nevertheless, this principle is no longer applicable when analyzing a subsystem where energy is exchanged with an external environment. Such a physical scenario can be described by a non-Hermitian Hamiltonian that exhibits a complex-energy spectrum. The investigation of non-Hermitian systems has undergone remarkable advancement since the discovery of Parity Time (PT) symmetry. In a PT symmetric system, a singularity, referred to as an exceptional point (EP), has recently attracted significant attention. In optical systems with gain/loss components, EPs are typically defined below the lasing threshold, specifically in the linear regime. Still, the complex dynamics related to EP above the lasing threshold are yet to be investigated. In the first part of this thesis, we both theoretically and experimentally demonstrate that EP singularities in coupled III-V semiconductor photonic crystal nanolasers can be accessed above the lasing threshold, where they become nonlinear branch points. Contrary to the common belief that the cavity detuning prohibits the formation of EPs, we point out that, in the context of the semiconductor laser system, such detuning is essential for compensating the carrier-induced frequency shift. Continuous tracking of the lasing EP is enabled by unbalanced pumping photoluminescence experiments. The second part of this thesis addresses the implementation of lasing zero modes, which receive considerable attention due to their symmetry or topology protected characteristics: a research domain called topological lasers. The lasing regime of the zero mode is first demonstrated in a photonic trimer system with nearly equal pumping for the two extreme cavities. Nonetheless, the conventional photonic zero modes, distinguished by their out-of-phase emission and the boundary-confined intensity distribution, significantly restrict their applications. We tackle the two aforementioned limitations by the barrier-image engineering technique and the non-Hermiticity. The former can flip the sign of the inter-cavity coupling and generate an in-phase zero mode; the latter can leverage a bulk zero mode through the spontaneous restoration of non-Hermitian particle-hole symmetry. In order to address zero modes in larger coupled-cavity arrays, we investigate the emergence of both EP and zero modes in a two-dimensional structure including four coupled nanolasers arranged in a ring. The non-Hermitian chiral symmetry generates a zero mode through a collision of modes at the EP, which is further stabilized by nonlinear saturation. Interestingly, the modes at EP exhibit a phase singularity, resulting in an optical vortex, which is experimentally observed using near-field interference. This thesis concludes with the presentation of an intriguing application of the zero mode: optical computing capabilities. We demonstrate both theoretically and experimentally that our nanolasers can address non-trivial classification tasks, which prove to be challenging for a single-layer neural network architecture. The complex nanolaser layer markedly enhances computing accuracy, particularly for low dimensional input datasets

Cette thèse explore l'intersection entre la physique non-hermitienne et les métamatériaux acoustiques topologiques, en se concentrant sur la manipulation de la propagation des ondes acoustiques dans des systèmes tels que les chaînes de Su-Schrieffer-Heeger et les isolants de Chern. À travers une combinaison de modélisation théorique et de simulations numériques, ce travail démontre comment la perte sur site et les interactions non réciproques peuvent être utilisées pour contrôler la topologie et induire la non-Hermiticité. La thèse explore également une méthode potentielle pour concevoir des isolants de Chern non-Hermitiens et obtenir des états acoustiques hybrides de type skin-topologique. En comblant l'écart entre les concepts théoriques et les applications potentielles, ce travail fait progresser la compréhension des métamatériaux topologiques non-Hermitiens et ouvre de nouvelles perspectives pour de futures recherches tant en physique fondamentale qu'en acoustique appliquée
This thesis explores the intersection of non-Hermitian physics and topological acoustic metamaterials, focusing on the manipulation of acoustic wave propagation in systems such as the Su-Schrieffer-Heeger chains and Chern insulators. Through a combination of theoretical modeling and numerical simulations, the work demonstrates how onsite loss and non-reciprocal interactions can be used to control topology and induce non-Hermiticity. The thesis also explore the potential method to design non-Hermitian Chern insulator and obtain the acoustic hybrid skin-topological states. By bridging the gap between theoretical concepts and potential applications, this work advances the understanding of non-Hermitian topological metamaterials and opens new avenues for future research in both fundamental physics and applied acoustics