EXCITONS AS A NEW QUANTUM SYSTEM

Résumé
Un exciton étant composé d'un nombre pair de fermions appartient à la classe de particules obéissant à la statistique de Bose-Einstein. On s'attend donc à l'apparition de phénomènes quantiques, liés à la statistique, dans un gaz d'excitons à densité élevée, et en particulier à l'apparition d'une condensation dans l'espace des moments d'une fraction des particules (condensation de Bose-Einstein). Dans une première partie, le concept d'exciton est rapidement introduit, les avantages d'un tel système pour l'étude des effets de statistique quantique sont évoqués ; on montre ensuite les difficultés qui empêchent l'observation d'une condensation d'Einstein d'excitons dans la plupart des cristaux. Dans une seconde partie, on présente des résultats expérimentaux qui confirment les prédiction du modèle de Bose-Einstein. Dans Cu₂O, on montre qu'un gaz d'excitons suit un comportement classique à faible densité, mais qu'il est nécessaire d'introduire une fonction de distribution des vitesses des particules très fortement dégénérée à basse température et aux densités élevées pour expliquer le spectre de recombinaison excitonique observé. Le potentiel chimique du gaz atteint des valeurs proches de zéro. Dans CuCl, les excitons sont instables par rapport à la formation de molécules (biexcitons). Il est possible de créer directement une densité élevée de biexcitons ayant un moment d'impulsion k ≈ 0 par absorption non-linéaire d'un faisceau laser. Là encore, de fortes déviations par rapport à la statistique classique sont observées. En particulier, l'apparition d'une raie d'émission fine est attribuée à la présence d'un condensât de Bose-Einstein dans le système.

Abstract
In a first part, a brief review of some excitonic properties is presented, with the accent put on their relevance with respect to the possibility of Bose-Einstein condensation. In a second part, recent experimental evidence is described, which supports the idea that excitonic particles may form a highly quantum fluid. In Cu₂0, the analysis of the exciton decay spectrum shows a gradual evolution of the gas from a classical regime at low densities up to a strongly degenerate one at high densities, with a chemical potential µ ~ 0. In CuCl excitons are unstable against formation of molecules (biexcitons). It is possible to generate directly a high density gas of biexcitons with momentum K ~ 0 by giant two-photon absorption. At low excitation, the observed molecular emission is in agreement with Maxwell -Boltzmann statistics. At high densities, strong deviations occur. In particular, the appearance of a sharp emission line is attributed to the presence of a Bose-Einstein condensate of excitonic molecules.