La superradiance est un processus dans lequel des émetteurs excités, d'abord incohérents, développent spontanément une cohérence macroscopique et rayonnent collectivement. Ce comportement est extrêmement sensible à la décohérence (la perte de cohérence de phase) et exige que la polarisation collective ait le temps de se former avant la déphasage. Les premières observations de superradiance dans les semi-conducteurs nécessitaient des températures cryogéniques et des champs magnétiques intenses pour supprimer la diffusion sur les phonons. Ce n'est que récemment que la superradiance a pu être obtenue à température ambiante dans des pérovskites, mais une question restait ouverte : comment gouverner la compétition entre la superradiance et l'émission spontanée amplifiée (ASE), et quel rôle joue la géométrie spatiale de l'excitation dans ce processus. Le travail fait un peu bande à part : il y a bien, dans l'archive, des études voisines sur les boîtes quantiques, la supraconductivité et les vortex magnétiques, mais presque aucun voisin direct consacré à la superradiance dans les puits quantiques sphériques.
Les chercheurs ont synthétisé des puits quantiques sphériques CdS/CdSe/CdS par croissance couche par couche des coquilles, puis les ont déposés en film mince sur un substrat de quartz. Pour l'excitation, ils ont utilisé des impulsions femtosecondes de longueur d'onde 400 nm, et la dynamique d'émission a été enregistrée avec une caméra à balayage à résolution temporelle. Deux paramètres ont été variés : la densité d'énergie d'excitation et la longueur de la bande excitée L (de 2.1 à 3.0 mm). Les courbes de déclin intégrées spectralement ont été analysées en les ajustant par une fonction sech², caractéristique des impulsions de superradiance. En complément, les seuils de superradiance ont été comparés entre pompage en bande et pompage ponctuel.
Lorsque la densité d'énergie d'excitation augmente, l'intensité de crête de l'émission croît de façon presque quadratique (exposant 2.04), et le temps d'émission caractéristique τ diminue de 20 à 12 ps, ce qui correspond à une mise à l'échelle en 1/N pour une émission collective. Le temps de montée de la cohérence tb passe de 31 à 6 ps et suit une dépendance en ln N/N. Après l'impulsion principale apparaissent des oscillations amorties, les anneaux de Burnham-Chiao, typiques de la superradiance. Avec une bande longue (L = 3.0 mm), c'est l'émission spontanée amplifiée qui domine : l'intensité croît de façon superlinéaire et le spectre se rétrécit. Lorsque la bande est raccourcie jusqu'à L = 2.1 mm, on voit apparaître un retard d'émission, une réduction du temps de montée quand le pompage augmente, et des anneaux de Burnham-Chiao : autant de signatures de la superradiance. Le seuil de superradiance en pompage par bande s'est révélé environ 30 fois plus bas qu'en pompage ponctuel.
Ce travail montre que l'étendue spatiale de l'excitation n'est pas un simple paramètre, mais un outil de contrôle de l'émission collective. Contrairement aux études voisines, où la superradiance était étudiée dans des pérovskites ou des puits quantiques à basse température, on démontre ici pour la première fois une superradiance à température ambiante dans des puits quantiques sphériques et, plus important encore, un abaissement marqué du seuil grâce à la géométrie du pompage. Cela signifie que le champ optique qui se propage à l'intérieur de la zone excitée peut favoriser la corrélation de phase des émetteurs, même lorsque le gain est insuffisant pour l'ASE. Un tel mécanisme ouvre une nouvelle voie de contrôle actif des états cohérents collectifs dans les nanostructures semi-conductrices.
Les recherches à venir pourront viser une étude détaillée du rôle du champ propagé dans la formation de la polarisation macroscopique. Il sera peut-être possible d'optimiser la longueur de la bande et d'autres paramètres géométriques pour abaisser encore le seuil de superradiance. Il serait également intéressant de vérifier si ce mécanisme fonctionne dans d'autres matériaux, par exemple dans des nanocristaux de pérovskite ou des boîtes quantiques colloïdales. À terme, cela pourrait conduire à la création de sources de lumière cohérente à bas seuil fonctionnant à température ambiante.
Les résultats peuvent influencer la conception de lasers à base de nanocristaux colloïdaux, où il importe d'abaisser le seuil d'émission. Ils fournissent aussi un nouvel outil pour étudier la cohérence quantique dans les milieux condensés.
L'étape suivante pourrait consister à faire varier systématiquement la longueur de la bande d'excitation avec un pas plus fin, afin de déterminer précisément la frontière de transition entre l'ASE et la superradiance. Il importe aussi de mesurer le temps de déphasage T₂ dans ces structures et de le relier aux seuils observés.
Ce travail touche à un problème fondamental de la physique de la matière condensée : comment la cohérence quantique macroscopique apparaît et entre en compétition avec la décohérence dans des systèmes désordonnés à température finie. Comprendre ce mécanisme est important non seulement pour la superradiance, mais aussi pour d'autres phénomènes quantiques collectifs, comme la condensation de Bose des excitons ou la supraconductivité.
Les anneaux de Burnham-Chiao observés dans l'expérience doivent leur nom aux physiciens qui les ont prédits en 1973 comme des oscillations d'intensité après un éclat de superradiance. Ces oscillations naissent de l'échange d'énergie entre le rayonnement et la polarisation collective, à la manière des oscillations amorties d'un pendule.