Clément Maës - Laboratoire Kastler Brossel

Clément Maës
Responsable (UTT) : Christophe Couteau
Branche : MTE
Année : 2015
Semestre : Prinemps 2015
Couplage des photons issus de la fluorescence de nanocristaux
semiconducteurs coeur-bâtonnet au sein d’une fibre optique nanométrique.
Mon stage s’est déroulé au sein de l’équipe Mémoire Quantique du Laboratoire Kastler Brossel, sur
le site de Jussieu (UPMC - Paris).
J’ai travaillé, pendant six mois, sur une expérience toute récente ayant pour but l’étude du couplage
entre des nanofibres optiques et des sources de photons uniques que sont les nanocristaux semiconducteurs
CdSe/CdS de type coeur-bâtonnet. Les nanofibres sont obtenues en chauffant et en tirant sur des fibres
optiques commerciales, ce qui conduit à l’obtention d’un guide d’onde permettant le couplage de la
lumière au niveau d’une interface silice-air. Concernant les nanocristaux semiconducteurs, ils produisent
efficacement des photons uniques après excitation. Ces photons sont alors guidés par la fibre étirée.
Ainsi, j’ai été amené à comprendre dans un premier temps les mécanismes et enjeux de l’expérience
afin d’y apporter ma contribution (étude du dépôt d’un nanocristal unique par exemple). J’ai également
été amené à étudier d’autres problématiques comme l’étude du couplage entre une fibre optique étirée et
un nuage d’atomes de rubidium.
Ces recherches en optique et mémoire quantiques s’inscrivent au sein du projet CASQUAD (CAvity
System for QUantum Dot) et présentent des enjeux technologiques sur les sources de photons uniques
guidées, l’information quantique, la mémoire quantique ou encore la cryptographie quantique.
Recherche fondamentale
Services non marchands (fonction publique - 14)
Optique et Optoélectronique
Recherche
Entreprise : Laboratoire Kastler Brossel
Lieu : Paris
Responsable (LKB) : Quentin Glorieux
19 Janvier 2015 - 03 Juillet 2015
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Remerciements
Tout d’abord je tiens à remercier toutes les personnes ayant contribué au bon déroulement de mon
stage d’initiation à la recherche, l’ensemble des membres du laboratoire pour leur accueil chaleureux qui
m’a permis de vivre six mois riches et enrichissants, et plus particulièrement :
Christophe Couteau,
Alberto Bramati,
Quentin Glorieux,
Elisabeth Giacobino,
Pour m’avoir permis de découvrir l’environnement de la recherche, accueilli et suivi tout au long de
mon stage.
Victor Bock,
Pauline Boucher,
Aveek Chandra,
Sébastien Cosme,
Hyppolyte Dourdent,
Baptiste Gouraud,
Peiyuan He,
Maxime Joos,
Anjani Maurya,
Nicolas Sangouard,
Neil V. Corzo-Trejo.
Pour leurs explications et conseils mais également pour les moments de camaraderie agrémentés de
houblon et multiples hors d’oeuvres.
Florence Thiboult,
Jérémie Saen,
Et tous les membres des différents services techniques, pour leur professionnalisme, leur travail indis-
pensable à la bonne progression des expériences et la bonne atmosphère qui reine dans chaque atelier.
François Maës,
Odile Maës,
Camille Maës,
Mais aussi Ambroise, Arthur, Jacques, Killian, Laura, Loïc, Sandie ou encore Armand, Jérémy, Louis,
Quentin, Théophile, Victor et toutes les belles rencontres qui ont complété mes journées au laboratoire.
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Table des matières
1 Introduction 4
1.1 Le Laboratoire Kastler Brossel ................................. 4
1.2 Axes de recherche ......................................... 4
1.3 Contexte du stage au sein de l’équipe Optique Quantique .................. 5
1.3.1 L’équipe Optique Quantique dans les milieux semiconducteurs ........... 6
1.3.2 Contexte et problématique de l’expérience ....................... 6
2Stage 7
2.1 Sujet ................................................ 7
2.2 Rôle et fonctions au laboratoire ................................. 7
2.3 Description de l’expérience ................................... 7
2.3.1 Etat des lieux (ante) ................................... 7
2.3.2 Les nanocristaux CdSe/CdS ............................... 7
2.3.3 La fibre optique ...................................... 10
2.4 Méthode de travail, Notions et Objectifs ............................ 11
2.4.1 Montage de l’expérience et choix technologiques ................... 11
2.4.2 Quelques notions ..................................... 13
2.4.3 Planning prévisionnel .................................. 15
2.5 Activités .............................................. 16
2.5.1 Tirage d’une fibre .................................... 16
2.5.2 Dépôt d’un nanocristal unique ............................. 19
2.5.3 Cellule de rubidium et fibre étirée ........................... 27
2.6 Discussion des résultats par rapport à l’objectif visé et planning réel ............ 30
3 Conclusion 31
3.1 Etat des lieux (post) ....................................... 31
3.2 Perspectives ............................................ 31
3.3 Bilan ................................................ 31
Références 34
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1 Introduction
Au sein de ce premier chapitre, nous présenterons le Laboratoire Kastler Brossel par les grandes étapes
de sa création, son développement et son organisation actuelle.
1.1 Le Laboratoire Kastler Brossel
Fondation
Alfred Kastler (Médaille d’or du CNRS 1964, prix Nobel 1966) et Jean Brossel (Médaille d’or du
CNRS 1984) fondent en 1951, sur le thème de l’intéraction entre la lumière et la matière, le laboratoire de
spectroscopie hertzienne de l’ENS. Un second site voit le jour en 1967 sur le campus de Jussieu (UPMC) et
il faut attendre 1994 avant que le laboratoire change de nom pour devenir "Laboratoire Kastler Brossel"
(LKB) en hommage à ses deux fondateurs. Les travaux de ces deux figures de la recherche scientifique
française sur le pompage optique sont dorénavant ancrés dans la culture du laboratoire et sont à la base
de la majeur partie des recherches menées aujourd’hui au LKB.
Développement
Le Laboratoire Kastler Brossel est devenu un des acteurs majeurs de la physique fondamentale des
systèmes quantiques dans le monde du fait d’un développement marqué à trois reprises par l’obtention
du Prix Nobel : Alfred Kastler (1966), Claude Cohen-Tannoudji (1997) et Serge Haroche (2012). On
notera ègalement que ces trois derniers font partie des quatre médailles d’or du CNRS reçues par le
laboratoire, la dernière étant à l’effigie du co-fondateur Jean Brossel.
Situation actuelle
En 2015, le laboratoire est basé sur trois sites (Jussieu, ENS Lhomond et Collège de France) qui
comptabilisent cent-soixante personnes à plein temps, que ce soit les permanents, les doctorants et les
post-doctorants, les ingénieurs et techniciens, mais également les stagiaires. La majeure partie des effectifs
est constituée des équipes de recherche (enseignants-chercheurs, post-doctorants, doctorants et stagiaires)
et l’on recense également plusieurs services techniques (soufflage du verre, services électronique, méca-
nique et informatique) qui sont d’une aide très précieuse quant à l’avancée des recherches. Impliqué
dans le développement de nombreuses disciplines, le LKB conduit des recherches de pointe en physique
fondamentale qui sont reliées à la maîtrise de l’intéraction matière-rayonnement au niveau quantique.
1.2 Axes de recherche
L’activité du Laboratoire Kastler Brossel couvre des thèmes de recherches très variés, qui vont de la
physique la plus fondamentale aux applications bio-médicales. Les thémathiques de recherches s’articulent
autours de cinq axes :
Atomes froids
Le développment des techniques de manipulation et de refroidissement d’atomes par des champs élec-
tromagnétiques au milieu des années 1990 a permis l’émergence d’une nouvelle thématique que sont les
gazs quantiques. La technologie des puces à atomes y est notamment développée.
Interface Physique-Biologie-Médecine
Plusieurs équipes du laboratoire mènent des travaux de recherche à l’interface entre la physique, la
biologie et la médecine. Ces travaux sont réalisés le plus souvent en étroite collaboration avec des labo-
ratoires extérieurs et portent sur le développement de nouvelles méthodes de détection optique ou par
résonance magnétique afin de les mettre en application pour l’étude de milieux biologiques.
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Atomes dans des milieux denses ou complexes
Les atomes et le rayonnement constituent une sonde efficace de la matière dense. C’est pourquoi les
chercheurs du LKB les utilisent pour vérifier l’éxistence de l’état supersolide de l’hélium ou pour étudier
des fluides hyperpolarisés.
Tests des interactions fondamentales et métrologie
Un des thèmes de recherche les plus unificateurs du Laboratoire Kastler Brossel est celui des me-
sures de hautes précisions dans le but de tester les théories fondamentales, comme l’électrodynamique
quantique ou la gravitation, et de déterminer les constantes fondamentales de la physique (le laboratoire
détient notamment quelques records de précision). Cet axe de recherche est composé de deux groupes :
"Métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux" et "Métrologie de l’ion H+
2". Les deux équipes
de l’axe sont en outre impliquées dans le projet GBAR, accepté par le CERN, qui vise à mesurer l’effet
de la gravité terrestre sur l’antimatière. Le LKB est aussi leader dans la mission PHARAO/ACES1 qui
enverra dans l’espace une horloge à atomes froids d’une précision inégalée pour tester les équations d’Ein-
stein de décalage gravitationnel des fréquences. Enfin l’équipe "Fluctuations quantiques et relativité"
étudie l’effet Casimir (force exercée sur des miroirs par les fluctuations quantiques du vide) ainsi que les
tests des lois de la gravitation qui influencent directement des recherches à visées technologiques.
Information et optique quantique
Le laboratoire Kastler Brossel participe à l’essor de l’optique et de l’information quantique après avoir
été l’un des initiateurs de l’électrodynamique quantique en cavité et l’un des premiers à produire des états
non-classiques du rayonnement électromagnétique. L’axe Information et Optique Quantique regroupe
ainsi quatre équipes (électrodynamique quantique en cavité, optique quantique, fluctuations quantiques
et relativité et optomécanique et mesures quantiques.) qui s’intéressent à différents aspects liés aux
concepts fondamentaux de la mécanique quantique et aux conséquences des fluctuations quantiques. Des
thèmes comme les mémoires quantiques et dispositifs pour l’information quantique, l’intrication et la
décohérence ou encore la génération d’états non classiques peuvent notamment être cités.
L’équipe Optique Quantique se focalise sur la génération d’états quantiques du rayonnement, à l’étude
des limites de sensibilité dans les mesures optiques et à l’étude des propriétés quantiques des systèmes
optiques ayant de très nombreux degrés de liberté, spatiaux ou temporels (optique quantique multimode).
La manipulation des fluctuations quantiques de la lumière, en générant des corrélations quantiques et des
états intriqués, permet de réaliser des mémoires pour stocker l’information quantique. Des sujets qui font
l’interface avec la physique de la matière condensée sont également abordés comme les gaz quantiques de
polaritons dans les micro-cavités semiconductrices, et la production de photons uniques ou intriqués avec
des nanocristaux semiconducteurs. C’est au sein de cette équipe et à travers cette dernière thématique
que j’effectue mon stage.
1.3 Contexte du stage au sein de l’équipe Optique Quantique
L’équipe Optique Quantique se focalise sur l’étude des propriétés spécifiquement quantiques de la
lumière produite par des dispositifs optiques, ce qui en fait son thème principal de recherche. L’équipe
réalise notamment différents dispositifs comme des sources de lumière quantique, des répéteurs ou des
registres à mémoire quantique qui s’annoncent être des enjeux majeurs pour les futurs systèmes et qui se
voient très compétitifs sur le plan international.
Le groupe étudie aussi les effets quantiques dans les systèmes optiques ayant de très nombreux de-
grés de liberté et qui sont susceptibles de transporter une grande quantité d’informations. Le groupe
approfondit également le vaste domaine de l’optique quantique multimode à la fois sur le plan théorique
et expérimental, en éclaircit les concepts, et les applique à l’amélioration des mesures optiques de très
grande sensibilité et au traitement quantique de l’information.
L’équipe Optique Quantique regroupe donc une grande partie du personnel du laboratoire (environ
quarante personnes) et se décompose en trois sous-équipes :
—Mémoires quantiques (Elisabeth Giacobino, Julien Laurat),
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